嵌入式多参数微小型水质监测系统的设计

在我国，水污染已经成为严重的环境问题。现有水质监测系统的方法大多分为两类：(1)采用人工操作的方法，其监测系统庞大，完成测试过程所用时间比较长。(2)现场进行测试的方法，其对水质测试的参数比较单一，不能实时传输测试数据[1]。基于这两类方法的监测系统，所得数据代表性差,无法及时反映水污染的变化情况,已经满足不了现代环境监测和保护的要求。因此，研制能够对水质进行自动采样、多参数监测﹑自动化分析以及对监测数据无线传输的水质监测系统十分必要。

近年来，嵌入式技术得到了广泛关注并获得了飞速发展，其应用范围越来越广。基于该技术的设备具有体积小、成本低和性能稳定等显著优点[2]。而GPRS技术是为无线数据传输服务量身定做的，该技术具有实时性强、设备成本低、维护费用低、价格便宜、适合不定期和长时间的数据传输等诸多优点[3]。

本文提出了一种基于嵌入式技术和GPRS技术的多参数微小型水质监测系统的设计方法。介绍了该监测系统的监测原理，给出了系统的总体方案，分析了系统的总体结构以及功能，设计了系统的控制硬件和软件。

1 系统测量原理

该系统水质参数的测量原理是以朗伯-比尔定律为理论基础的，其表达式为：

其中，A为介质的吸光度，I为入射光的强度，I′为光通过介质吸收后的透射光强，C为介质的摩尔浓度，l为光程长，ε为介质的摩尔吸收系数。在测量中，采用已知P物质的标准溶液和未知P物质的被测溶液比较特定波长吸收程度的方法，来获得P物质在被测溶液中的浓度。为了扣除蒸馏水在该特定波长处的吸光度值，选用蒸馏水为参比溶液。首先用仪器对P物质的N个不同浓度的标准溶液进行测量，得到吸光度值Ai（i=1,2,3…N）。以P物质的浓度Ci为横坐标、吸光度值Ai为纵坐标，利用最小二乘法便可得出P物质的标定曲线，其表达式为：

A=bC+k (2)

其中：A为P物质的吸光度，C为P物质摩尔浓度。由于光谱仪精度因素，实际计算出的标定曲线是一条不过原点的直线。当测量P物质在被测溶液中的未知浓度时，只需测出不含P物质时的杯空白吸光度A空白和含有P物质溶液的吸光度AP，即可将（AP-A空白）代入式(2)，得出被测溶液中P物质的浓度。

2 水质监测系统总体结构

图1为多参数微小型水质监测系统的原理框图，分为单片机测量控制系统和ARM硬件控制系统。嵌入式ARM系统主要实现整体控制，通过对触摸屏菜单的操作，对单片机测量系统发出控制命令，可以实现对水中的铬、铅、A表面活性剂、化学耗氧量（COD）、氨氮、总磷和挥发酚的标定，单步测量和依次测量。然后嵌入式ARM系统通过微型光谱仪对光谱数据采集，经过数据处理，完成对水中各个参数含量的测试。而经过测试之后，可以通过GPRS网络，实时地将测量数据传输到远端管理人员的PC机上，从而实现对库区和大江大河环境水质状况的实时监测。

2.1 单片机测量控制系统

单片机控制系统主要由单片机处理器及钨丝灯光源﹑透镜﹑光纤探头、样品水池﹑清洗搅拌机构﹑直线导轨机构﹑蠕动泵阵列﹑反应测试室阵列﹑电磁阀阵列和控制电路等组成。光源、镜头、光探头、清洗搅拌针、注入清水及试样的管头等组装在直线导轨的移动滑块上。检测时，单片机首先控制直线导轨上的移动滑块至第一个反应测试室，控制蠕动泵抽取清水至测试室，然后控制清洗搅拌机构，使用搅拌针搅拌，待搅拌完成，打开相应电磁阀，排除清水；接着利用蠕动泵分别抽取适量的样品溶液和试剂溶液，使用搅拌针充分搅拌，待反应充分；最后，单片机控制点亮光源，由钨丝灯产生的可见光经过透镜聚光后穿过测试室，由微型光谱仪探测头把透射光导入光谱仪，记录光谱数据，然后将光谱数据传入ARM系统，进行水质参数浓度的分析。此时第一个参数测试完毕，按照上述步骤可完成水样中7种参数含量的测试。

由于水质中各个参数的吸收光波长不同，光谱的大致范围在400 nm～700 nm之间，因此，本系统中选择了体积小﹑寿命长﹑价格低的12 V 25 W的溴钨灯作为光源。

2.2 ARM硬件控制系统

ARM硬件控制系统的任务主要包括：光谱数据的接收与分析处理、控制单片机系统、测量数据发射、人机对话等，其结构框图如图2所示。水质参数开始检测后，首先通过LCD触摸屏对该系统的各个参数进行设定，ARM系统与单片机系统通信，通知单片机系统的各个模块准备测试。然后ARM系统向单片机系统发送测试第一个参数的命令，单片机系统按照制定好的步骤，完成试剂和样品溶液的充分反应，然后打开光源。这时，光谱仪的光线探头定位在第一个反应测试室的透射光孔处，透射光进入光谱仪的光纤探头，经过光纤传输，光谱仪开始采集数据，待采集完成后，通过光谱仪与ARM系统的连接并口传入ARM处理器S3C2440A中，然后ARM处理器对采集的数据进行处理，并存储处理结果以及在LCD触摸屏上显示该参数的吸光度曲线。待这些完成之后，ARM系统发送命令，通知单片机系统开始测试第二个参数，直至7个参数全部测试完毕为止。由于GPRS模块通过串口与S3C2440A相连接，ARM处理器通过串口发送AT指令对GPRS模块操作。测试完成之后，ARM处理器对已存储参数的浓度进行数据传输，通过GPRS网络将数据传输到远端的PC机端。