高 超，胡 孟，吳國榮，宋衛(wèi)坤

(1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

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水質(zhì)快速檢測設(shè)備的硬軟件設(shè)計及實現(xiàn)

高 超1，胡 孟2，吳國榮1，宋衛(wèi)坤2

(1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

[目的]研制水質(zhì)快速檢測設(shè)備，實現(xiàn)水質(zhì)的現(xiàn)場多指標(biāo)快速檢測。[方法]對設(shè)備的硬件及軟件進(jìn)行了設(shè)計。硬件設(shè)計包含了MP2303芯片、鋰電，Cortex-M3型ARM微控制器、樹莓派顯示系統(tǒng)、光頻轉(zhuǎn)換器等的設(shè)計；軟件設(shè)計則包含了軟件設(shè)置、項目選項、項目測量結(jié)果以及測量數(shù)據(jù)表格輸出等模塊的設(shè)計；并對水質(zhì)快速檢測設(shè)備的可靠性進(jìn)行了試驗檢驗。[結(jié)果]通過對該設(shè)計的設(shè)備硬件和軟件合理搭配連接，從而研發(fā)出了水質(zhì)快速檢測設(shè)備。用該設(shè)備與國家標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)備同時測定某一河道水樣的5項指標(biāo)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3個樣點水樣中鐵、氨態(tài)氮、氟化物、硝酸鹽和6價鉻含量的兩組數(shù)據(jù)值接近，無明顯差異。雖然國家標(biāo)準(zhǔn)法檢測下限比快測法高一個數(shù)量級，但快速設(shè)備的測定結(jié)果不影響操作員對水質(zhì)的判斷，說明該水質(zhì)快速檢測設(shè)備精密度高；兩種測定方法的穩(wěn)定性比較，結(jié)果快速測定法的5個指標(biāo)數(shù)據(jù)的相對偏差略高于國家標(biāo)準(zhǔn)法(3.92%)，但其測定結(jié)果能夠較好地滿足現(xiàn)場測定要求，說明該水質(zhì)快速檢測設(shè)備穩(wěn)定性良好。[結(jié)論]該水質(zhì)快速檢測設(shè)備的檢測精度和穩(wěn)定性較高，可滿足水質(zhì)的現(xiàn)場快速檢測要求。

水質(zhì)快速檢測；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計

我國自然災(zāi)害及突發(fā)事件頻發(fā)，容易對水環(huán)境造成破壞和污染。如地震容易造成污水管道破裂和污水外溢，或引發(fā)危險品的泄漏，造成水污染。另外，水體的流動性更是會擴(kuò)大污染影響[1-2]。針對水環(huán)境污染，在第一時間現(xiàn)場對水質(zhì)進(jìn)行檢測，及時獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，了解水質(zhì)狀況，對確保飲水安全，指導(dǎo)抗災(zāi)救災(zāi)具有重要意義。

水質(zhì)快速檢測設(shè)備可以實現(xiàn)水質(zhì)的現(xiàn)場快速檢測。余立婷等介紹了水質(zhì)快速檢測中的比色器法、光度計法以及國外的哈希法，指出國內(nèi)檢測設(shè)備的檢測精度較低，國外哈希法的檢測結(jié)果精度較高，穩(wěn)定性較好[3]。蘇慧等介紹了水質(zhì)快速檢測盒與國標(biāo)法在水質(zhì)檢測中的應(yīng)用，在精密度和準(zhǔn)確度方面，水質(zhì)快速檢測盒的檢測結(jié)果與國標(biāo)法相比還有差距[4]。廖和琴等介紹了基于液滴分析技術(shù)的水質(zhì)檢測儀器，其檢測指標(biāo)較少，沒有清洗裝置，容易交叉干擾，影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性[5]。劉園園介紹了智能化便攜式水質(zhì)檢測儀，檢測儀的檢測項目較少，必須連接工作電壓才能使用，不能滿足野外應(yīng)急檢測的要求[6]。張磊等介紹了基于電極法的水質(zhì)檢測儀，檢測儀的電極容易受損，影響檢測結(jié)果[7]。Yue LIAO等介紹了支持向量機(jī)(Support Vector Machine)法，通過記錄水中生物的行為數(shù)據(jù)來檢測水質(zhì)，結(jié)果表明檢測時間較長，檢測精度低，可行性差[8]。

通過上述分析可以知道，雖然水質(zhì)快速檢測設(shè)備種類繁多，但卻存在這樣或那樣的局限性，國外的產(chǎn)品如美國的哈希等檢測精度高，檢測速度快，且可以完成十幾甚至幾十項指標(biāo)檢測，但設(shè)備及專用試劑昂貴，檢測成本很高。因此從減少對國外產(chǎn)品的依賴，降低檢測成本的角度考慮，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場水質(zhì)快速檢測設(shè)備，具有重要的技術(shù)意義和市場價值。

1 水質(zhì)快速檢測設(shè)備的總體設(shè)計

1.1 設(shè)備構(gòu)成

設(shè)備的構(gòu)成主要包含4個方面：(1)電源系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電源充電及電池(鋰電)單獨供電；(2)控制系統(tǒng)，采用STM32的ARM內(nèi)核控制器，接受測試命令，控制LED燈波長，測量傳感器輸出頻率，并將頻率的數(shù)據(jù)傳輸給顯示系統(tǒng)；(3)顯示系統(tǒng)，采用觸控方式，可發(fā)出控制命令，并顯示數(shù)據(jù)；(4)測量系統(tǒng)，包括光源及光-頻率轉(zhuǎn)換器等。

1.2 控制策略

由觸摸屏發(fā)送測量控制命令，處理器接收命令，控制并發(fā)射相應(yīng)波長的光束，光束經(jīng)樣品池，由光-頻率轉(zhuǎn)換器接收。測試穩(wěn)定后，光頻轉(zhuǎn)換器輸出頻率，經(jīng)觸發(fā)器將頻率分頻，并對波形整形，輸入處理器。處理器通過定時器及外部中斷的方式，測出頻率值。該測試分為兩步，首先對樣品進(jìn)行空白測量，再對加有試劑的水樣進(jìn)行測試。2次測量的差值結(jié)合吸光度曲線，計算濃度值，并將濃度值通過串口發(fā)送到觸摸屏進(jìn)行顯示。

2 詳細(xì)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

(1)電源。電源系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

外部12 V電源適配器，用于給設(shè)備供電及鋰電池充電。鋰電池輸出電壓為12 V，經(jīng)DC-DC芯片MP2303后輸出5 V電壓，分為兩路：一路分接到低壓穩(wěn)壓器AM1117-3.3，輸出3.3 V，用于控制系統(tǒng)及測量系統(tǒng)的供電；另一路分接于顯示系統(tǒng)。

(2)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用基于Cortex-M3的STM32F103系列的芯片，該系列芯片是由意法半導(dǎo)體公司出品的32位ARM微控制器，其時鐘最高可達(dá)72 MHz，高于目前常用的NXP(恩智浦半導(dǎo)體)的LPC2136芯片(時鐘最高為60 MHz)，有效地增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的工作效率?？刂葡到y(tǒng)接收觸摸控制命令，控制光源發(fā)射相應(yīng)波長，測量傳感器輸出頻率，并將頻率數(shù)據(jù)傳輸給顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)外設(shè)功能豐富，能夠滿足更多的使用需求；同時該系統(tǒng)擁有更多的低功耗模式，增強(qiáng)了設(shè)備的續(xù)航能力。系統(tǒng)除了包含MCU處理器外，還配有UART接口的驅(qū)動電路和PL2303的USB轉(zhuǎn)串驅(qū)動器，使控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸更加方便。

(3)顯示系統(tǒng)。設(shè)備采用樹莓派觸摸顯示系統(tǒng)，是基于Linux操作系統(tǒng)的MINI PC，并在MINI PC里安裝了顯示軟件。MINI PC通過相應(yīng)軟件驅(qū)動樹莓派串口，使樹莓派的串口發(fā)送控制數(shù)據(jù)到STM32控制器中，從而接收STM32控制器中測量的數(shù)據(jù)，并將其在界面上顯示。樹莓派觸摸顯示系統(tǒng)具有性能好、功能齊全、成本低、體積小等優(yōu)點，同時可以運行完整的操作系統(tǒng)，自帶較全面的接口，圖形性能強(qiáng)。樹莓派觸摸顯示系統(tǒng)體積較小，與其他系統(tǒng)的連接方便，減小了整個設(shè)備的體積,便于攜帶。樹莓派觸摸顯示系統(tǒng)的顯示效果如圖2所示。

(4)測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)主要包括LED陣列和光頻率轉(zhuǎn)換器兩個部分。LED陣列發(fā)射特定波長的光，并使光經(jīng)過樣品池照射在光-頻率轉(zhuǎn)換器TSL238D上。其具有亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定等優(yōu)點，能夠有效增強(qiáng)水質(zhì)快速檢測設(shè)備的工作壽命。目前的LED陣列主要包含了λ=520 nm與λ=640 nm波長的LED燈。LED陣列實物如圖3所示。

光-頻率轉(zhuǎn)換器用來測量LED陣列的光強(qiáng)度，其接收光后會輸出頻率，光的強(qiáng)度與頻率的高低成正比。測量系統(tǒng)采用D觸發(fā)器(data flip-flop)將光-頻率轉(zhuǎn)換器輸出頻率進(jìn)行分頻，同時對波形進(jìn)行調(diào)制，然后輸入到處理器中。處理器通過定時器及外部中斷的方式，測出頻率值。該設(shè)計采用了兩路單板設(shè)計，節(jié)約了成本，光-頻率轉(zhuǎn)換器原理如圖4所示。

在光-頻率轉(zhuǎn)換器PCB(印制電路板)設(shè)計中，必須先按照電路的流程安排各個電路單元的位置，使布局便于信號流通，同時盡量減少和縮短各元件之間的引線和連接，并盡可能使元件并行連接，從而便于裝焊，PCB設(shè)計圖如圖5所示。

在光-頻率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計過程中，可通過測量圖5中TP1點下方的燈打開與關(guān)閉2種狀態(tài)下的頻率來進(jìn)行調(diào)試，驗證設(shè)計的可行性。試驗測得燈打開時頻率為1.95 KHz，燈關(guān)閉時頻率為55.27 Hz，說明該設(shè)計可行，測試數(shù)據(jù)如圖6、7所示。

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計即對觸摸顯示屏中運行的軟件進(jìn)行設(shè)計，其功能模塊由軟件設(shè)置、項目選項、項目測量結(jié)果和測量數(shù)據(jù)表格輸出模塊組成。其中軟件設(shè)置主要是根據(jù)水質(zhì)檢測設(shè)備的功能進(jìn)行軟件程序的開發(fā)；項目選項指對水質(zhì)進(jìn)行測量的指標(biāo)選項，可以根據(jù)現(xiàn)場水質(zhì)的實際情況，合理選擇需要檢測的水質(zhì)指標(biāo)；項目測量結(jié)果即選測的水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，在一定程度上反映了水質(zhì)的狀況；設(shè)備將會根據(jù)測得的多組水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，以數(shù)據(jù)表格的形式在設(shè)備的顯示屏上顯示，從整體上評估水質(zhì)的基本狀況。在模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上，對軟件的操作流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使軟件易于操作，運行效率高，操作流程如圖8所示。

(1)軟件設(shè)置。軟件設(shè)置以水質(zhì)檢測設(shè)備的功能為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，主要包括串口號、波特率、停止位和校驗位的設(shè)置。通過對軟件的整體設(shè)計，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的傳輸速率和質(zhì)量，提高設(shè)備的整體運行效率。軟件的串口設(shè)置界面如圖9所示。

軟件的部分代碼如下：

void Settingdialog::fillPortsParameters()

{

QStringList comList;//串口號

QStringList baudList;//波特率

QStringList parityList;//校驗位

QStringList dataBitsList;//數(shù)據(jù)位

QStringList stopBitsList;//停止位

QStringList flowControl;

#ifdef Q_OS_WIN//如果是windows系統(tǒng)

currentSettings.protname = "COM1";

#else//如果是unix或者其他系統(tǒng)

currentSettings.protname = "ttyUSB0";

#endif

(2)軟件測量參數(shù)設(shè)計。軟件測量參數(shù)設(shè)計主要包括檢測項目、取樣體積、總體積、待測液體積和定容體積的設(shè)計。對檢測項目的各個測量參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置并進(jìn)行檢測時，只需在軟件界面輸入檢測項目需要的各個參數(shù)，便可方便地得到需要的水質(zhì)檢測結(jié)果。數(shù)據(jù)測量的流程分為3步，先對水樣進(jìn)行相應(yīng)測試項的空白測試；然后對水樣添加相應(yīng)的試劑顯色后，進(jìn)行樣品測試；最后將兩次測試的結(jié)果進(jìn)行運算，計算出濃度值，并將濃度值通過串口發(fā)送到觸摸屏進(jìn)行顯示。軟件測量界面如圖10所示。

軟件測量參數(shù)設(shè)計的部分代碼如下：

void Serial_Data::ConfigSetting()

{

QPalette pal;

pal.setColor(QPalette::WindowText， Qt::red);

ui->label->setPalette(pal);

ui->label_1->setPalette(pal);

ui->label_2->setPalette(pal);

QStringList List;

// List.append(tr(""));

List.append(tr("氨氮"));

List.append(tr("氟化物"));

……

model->setHeaderData(0，Qt::Horizontal，tr("編號"));

model->setHeaderData(1，Qt::Horizontal，tr("檢查項目"));

……

model->setHeaderData(4，Qt::Horizontal，tr("檢查日期"));

model->setHeaderData(5，Qt::Horizontal，tr("時間"));

3 試驗驗證

對所設(shè)計的設(shè)備硬件和軟件合理搭配連接，從而研發(fā)出了水質(zhì)快速檢測設(shè)備。為驗證水質(zhì)快速檢測設(shè)備的檢測精度和穩(wěn)定性，分別采用水質(zhì)快速檢測設(shè)備與國家標(biāo)準(zhǔn)法，對某河道3個樣點的水中的鐵、氨態(tài)氮、氟化物、硝酸鹽氮和6價鉻指標(biāo)進(jìn)行了檢測試驗，并對2種方法的檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析(表1)。

從表1可以看出，2種方法的測試結(jié)果直觀分析數(shù)據(jù)接近，說明水質(zhì)快速檢測設(shè)備的檢測精度較高。檢測設(shè)備對水樣的測定下限也在《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)的限量指標(biāo)范圍內(nèi)。

表1 水質(zhì)快速檢測法與國家標(biāo)準(zhǔn)法檢測結(jié)果的比較 mg/L

注：測定的濃度為3次測定的平均值。

由表2可知，2種方法測得的水中鐵、氨氮、氟化物、硝酸鹽氮、6價鉻含量的平均值相差并不明顯，快速檢測法的相對偏差雖然較大些，但不影響測量結(jié)果的穩(wěn)定性。

表2 水樣快速檢測法與國家標(biāo)準(zhǔn)法的穩(wěn)定性比較

注：平均值為取樣3點所得數(shù)據(jù)平均值，平均偏差為取樣3點測得數(shù)據(jù)減去平均值后的絕對值再取平均值；相對偏差為平均偏差除以平均值。

通過對現(xiàn)場水質(zhì)的檢測，并對2種方法測得的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理的分析比較，結(jié)果表明該檢測設(shè)備的檢測精度和穩(wěn)定性較好，其測定結(jié)果能夠較好地滿足現(xiàn)場水質(zhì)快速檢測的要求。

4 結(jié)語

針對目前國內(nèi)檢測設(shè)備檢測精度較低、國外檢測設(shè)備價格昂貴的現(xiàn)狀，對水質(zhì)快速檢測設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計，研發(fā)了便捷式水質(zhì)快速檢測設(shè)備。該設(shè)備硬件及軟件設(shè)計合理，便攜性強(qiáng)，檢測指標(biāo)多樣，續(xù)航時間長，檢測速度較快，可靠性好，滿足了水質(zhì)現(xiàn)場快速檢測的要求，具有較高的實用價值和推廣價值。

[1] 王芳.我國生活飲用水安全衛(wèi)生與健康問題現(xiàn)況和對策[J].應(yīng)用預(yù)防醫(yī)學(xué)，2014,20(5)：319-321.

[2] 許嘉寧，陳燕.我國水污染現(xiàn)狀[J].廣東化工，2014,41(3):143-144.

[3] 余立婷，趙振華，陶海強(qiáng).幾種水質(zhì)現(xiàn)場快速檢測方法的比較與優(yōu)化[J].安全與環(huán)境工程，2013,20(3):73-76.

[4] 蘇慧，周紅，賴先志.水質(zhì)快速檢測方法與國標(biāo)法在水質(zhì)檢測中的應(yīng)用比較[J].中國衛(wèi)生檢驗雜志，2011,21(5):1123-1126.

[5] 廖和琴.基于液滴分析技術(shù)的水質(zhì)檢測儀器的設(shè)計[D]. 天津:天津大學(xué)，2012：6-10.

[6] 劉園園.智能化便攜式水質(zhì)檢測儀的設(shè)計[J].電子科技，2013,26(11):135-138.

[7] 張磊，任妹娟，史云,等.便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀研制[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009,37(11):5324-5326.

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Hardware and Software Design for Water Rapid Testing Equipment and Experiment

GAO Chao1, HU Meng2, WU Guo-rong1et al

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang, Jiangsu 212003; 2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038)

[Objective] Water rapid testing equipment can be used to detect water quality indexes within a very short time. [Method] Equipment design including hardware and software design was described. The former consists of MP2303 chip, lithium battery, Cortex-M3 ARM micro-controller, Raspberry pie display system and light-to-frequency converter etc.. The latter consists of software setting, project option and testing data outputting etc.. Then the reliability of the rapid testing equipment was tested. [Result] Through appropriate connection of hardware and software, water quality rapid testing equipment was developed. The iron, ammonia nitrogen, fluoride, nitrate and 6 valence chromium content in three samples were compared, it was found that two groups of data have no obvious differences. Detection limit of national standard method is about one order of magnitude higher than fast measurement, but rapid equipment determination results does not affect the judgments of the operator on the water quality, which indicates the water quality quick detection device has high precision; The relative deviation of the 5 indexes of rapid determination method is slightly higher than the national standard method(3.929%), but the result can satisfy the requirement of the field test, which shows that the water quality quick detection device has good stability. [Conclusion] The equipment presents high testing accuracy and good stability, which meet the requirements of on-site water quality rapid testing.

Water rapid testing; Hardware design; Software design

十二·五科技支撐課題(2012BAJ25B04)：村鎮(zhèn)應(yīng)急水處理關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備研發(fā)。

高超(1979-)，男，山東淄博人，博士，講師，從事檢測技術(shù)及裝備研究。

2015-11-11

S 220.2；X 853

A

0517-6611(2015)35-370-04