孫成昊 陳建明

（華北水利水電學(xué)院電力學(xué)院，河南 鄭州450011）

現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)測(cè)試儀

孫成昊 陳建明

（華北水利水電學(xué)院電力學(xué)院，河南 鄭州450011）

設(shè)計(jì)了一款水質(zhì)測(cè)試儀，用于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行快速測(cè)試。測(cè)試儀采用基于ARM Cortex架構(gòu)的STM 32F107作為控制器，在數(shù)據(jù)處理中預(yù)留大量系統(tǒng)后期擴(kuò)展資源，添加GPRS收發(fā)器和北斗BD2+GPS雙系統(tǒng)模塊，保證實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)檢測(cè)色敏傳感器對(duì)水反射光的快速比對(duì)，使得測(cè)試儀測(cè)量結(jié)果滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求。

現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)試；STM 32F107；BD2+GPS雙系統(tǒng)模塊

對(duì)于當(dāng)今越來(lái)越復(fù)雜的水環(huán)境問(wèn)題，尤其是突發(fā)性污染事件和非常態(tài)條件下的應(yīng)急監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)、原位、快速獲取分析測(cè)試數(shù)據(jù)和相關(guān)信息顯得尤其重要。本項(xiàng)目水質(zhì)檢測(cè)儀正是基于這一需求，力求在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下能夠簡(jiǎn)單快捷的實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)污染物可靠準(zhǔn)確的測(cè)定。

1 測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)

1.1 測(cè)試儀總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)選用STM32F107作為控制器。STM32107是一款基于ARM Cortex架構(gòu)，低功耗，最高運(yùn)行頻率可達(dá)72MHz，內(nèi)部集成了高精度ADC及高頻脈沖計(jì)數(shù)器，并預(yù)留大量系統(tǒng)后期擴(kuò)展資源。

測(cè)試儀的GPRS收發(fā)器選用（華為GTM900B/C模塊超TC35/ DTU/GSM工業(yè)級(jí)開(kāi)發(fā)版/139），收發(fā)器完全符合GPRS Class 12規(guī)格要求，Aero采用體積僅為8×8厘米的32只接腳小型LGA封裝，它通過(guò)USART接口與STM32F107通信。FLASH芯片選用了AT45DBI6IB，容量為2MB，它通過(guò)SPI接口同MCU通信。LCD選用中文字庫(kù)320×240液晶彩屏。

1.2 分模塊具體實(shí)現(xiàn)

電源部分采用芯片aoz1016，輸入電壓4.5 V～16 V，能在-40度到85度的環(huán)境下工作，輸出電壓值0.8 V到輸出電壓，最大提供電流為2A。

聲光指示在開(kāi)機(jī)或者錯(cuò)誤操作下讓蜂鳴器發(fā)出響聲，來(lái)提示下一步動(dòng)作。在電源通電情況下電源指示燈常亮。其他備用指示燈6個(gè)，可以指示不同的操作狀態(tài)。

溫濕度傳感器采用的是AM2321，測(cè)量范圍為-40度到80度，供電電壓為2.6 V到5.5 V之間。有單總線和IIC總線兩種通信方式。

其中PA4是ARM芯片的D/A轉(zhuǎn)換輸出接口，采用先用DA轉(zhuǎn)換得到穩(wěn)定的模擬電壓，再通過(guò)射極跟隨來(lái)增大其負(fù)載能力，這樣保持了輸出電壓的穩(wěn)定。

藍(lán)牙采用的是串口通信，藍(lán)牙功能的實(shí)現(xiàn)可以使儀器與打印機(jī)連接起來(lái)，使打印更方便，也節(jié)省了一些連線的麻煩。在近距離時(shí)也可以通過(guò)藍(lán)牙給手機(jī)傳輸測(cè)量結(jié)果等文件。

ARM芯片支持USB主從模式，可以實(shí)現(xiàn)雙向通信。既可以通過(guò)接口與PC機(jī)連接通信，也可以和U盤進(jìn)行文件傳輸。

2 北斗BD2+GPS雙系統(tǒng)定位

為了更好地適應(yīng)外部條件，采用北斗BD2+GPS雙系統(tǒng)定位。儀器采用UM220模塊，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 UM220結(jié)構(gòu)圖

模塊通過(guò)串口連接到處理器，并通過(guò)串口來(lái)控制模塊，并從模塊接受NMEA數(shù)據(jù)，將提取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ARM中。

3 水質(zhì)測(cè)試儀檢測(cè)

3.1 檢測(cè)方法

朗伯·比爾定律中在一定的波長(zhǎng)下，溶液中待測(cè)物質(zhì)的濃度C與吸光度A呈線性關(guān)系

檢測(cè)系統(tǒng)為采用全色分析技術(shù)的測(cè)試儀，RGB色度傳感器芯片將可見(jiàn)光全波長(zhǎng)顏色系統(tǒng)的色度空間的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行量化，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)工作曲線和相應(yīng)的分析程序，通過(guò)微電腦控制器的積分整合和數(shù)模轉(zhuǎn)換，快速完成檢測(cè)。

3.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)據(jù)采集：首先采集無(wú)測(cè)試管時(shí)的RGB三基色數(shù)值，然后采集有測(cè)試管時(shí)的RGB三基色數(shù)值。有測(cè)試管時(shí)的RGB數(shù)值與無(wú)測(cè)試管時(shí)的RGB數(shù)值分別做比值運(yùn)算得到R比、G比、B比。對(duì)R比、G比、B比數(shù)值做歸一化處理，得到RGB的分量值。

建立標(biāo)準(zhǔn)色度空間：由于RGB數(shù)值做了歸一化處理，因此任意2基色都完整的表達(dá)了測(cè)試管的色度（第三種基色可以從：R+ G+B=1求得）。為此可以建立一個(gè)二維色度空間，用以描述化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的色度變化。采集標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)管數(shù)值在二維色度空間建立標(biāo)準(zhǔn)色度曲線。

測(cè)算待測(cè)物數(shù)值：采集待測(cè)物RGB數(shù)值。其RGB數(shù)值在二維色度空間表示為一個(gè)點(diǎn)。計(jì)算出此點(diǎn)距離標(biāo)準(zhǔn)色度曲線上最近的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的值，即為待測(cè)物含量數(shù)值。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

儀器共有128個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)共有256級(jí)，也就是256組數(shù)據(jù)。R，G，B，C四個(gè)數(shù)據(jù)為一組，每個(gè)數(shù)據(jù)占用兩個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)范圍：16進(jìn)制0～FFFF，十進(jìn)制為0～65536。數(shù)據(jù)顯示采用3個(gè)字節(jié)。34A105FF表示數(shù)據(jù)為：34.105，A表示小數(shù)點(diǎn)。為了數(shù)據(jù)內(nèi)存尋址簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)顯示也采用三個(gè)字節(jié)，最后五個(gè)字節(jié)為無(wú)效。因此每級(jí)需16個(gè)字節(jié)完整表示。共使用內(nèi)存128×256×16= 524288個(gè)字節(jié)，也就是512K字節(jié)（4Mbit內(nèi)存）

3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)采集

3.4.1 空白平均值計(jì)算

不插任何試管，測(cè)得R、G、B、C共8組數(shù)據(jù)。去掉一組最大值，去掉一組最小值，還剩6組數(shù)據(jù)。

每組數(shù)據(jù)計(jì)算出：

做R、G、B的平均值

6個(gè)R=∑Ri`/6 i=1，2，3…6

6個(gè)G=∑Gi`/6 i=1，2，3…6

6個(gè)B=∑Bi`/6 i=1，2，3…6

得到空白R(shí)、G、B三個(gè)平均值數(shù)據(jù)。

3.4.2 標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)試管平均值計(jì)算

插入標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)試管，測(cè)得R、G、B共8組數(shù)據(jù)。去掉一組最大值，去掉一組最小值，還剩6組數(shù)據(jù)。依照前面方法，計(jì)算出色標(biāo)試管平均值。

3.4.3 做以下計(jì)算

設(shè)r0 g0 b0為空白三基色平均數(shù)值

ri gi bi為標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)試管三基色平均數(shù)值

因?yàn)榱炼刃畔?duì)采集的數(shù)據(jù)并不重要，因此計(jì)算時(shí)我們采用歸一法處理數(shù)據(jù)。

3.4.3.1 計(jì)算空白三基色分量值：

r0`=r0/（r0+g0+b0）*C g0`=g0/（r0+g0+b0）*C b0`=b0/（r0+g0+ b0）*C

3.4.3.2 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)試管三基色分量值：

ri`=ri/（ri+gi+bi）*C gi`=gi/（ri+gi+bi）*C bi`=bi/（ri+gi+bi）*C

3.4.3.3 做運(yùn)算：

Ri`=C+r0`-ri`Gi`=C+g0`-gi`Bi`=C+b0`-bi`

其中C是為了不產(chǎn)生小數(shù)而設(shè)置。初步擬定C=10000或C= 8192（213）

得到的Ri`，Gi`，Bi`數(shù)值即為空間第i個(gè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

用標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)管測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備查詢。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的水質(zhì)檢測(cè)儀，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)快速檢測(cè)的要求，在保證水質(zhì)檢測(cè)的快速與精準(zhǔn)的條件下，能夠在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中，滿足對(duì)于時(shí)間和空間特性極強(qiáng)，隨機(jī)變化明顯，要求監(jiān)測(cè)頻率較高的應(yīng)急檢測(cè)，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)相比，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)取得的一個(gè)及時(shí)的，好的答案能取得更多的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)快速與準(zhǔn)確的完美平衡。

[1]陳帥，薛曉中等.SINS/北斗/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究[J].火力與指揮控制，2009，34（6）.

[2]程鵬飛，李瑋，秘金鐘.北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)測(cè)距信號(hào)的精度分析[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2012，41（5）.

TH83

A

1671-0037（2014）02-88-1.5

2014年2月17日。

陳建明（1963-），男，教授，研究方向：自動(dòng)化及嵌入式教學(xué)與研究。

孫成昊（1988-），男，碩士研究生，研究方向：模式識(shí)別與智能系統(tǒng)。