劉杰 劉巖 曹煊 馬然 張述偉

摘 ?要： 現(xiàn)有的營養(yǎng)鹽監(jiān)測體系一般為單通道回路，且測樣流程耗時大，回路之間存在污染，嚴(yán)重影響了傳感器的工作效率和準(zhǔn)確度。為此，在現(xiàn)有監(jiān)測體系的基礎(chǔ)上設(shè)計一種以高級單片機(jī)STM32F401為控制核心的多通道原位營養(yǎng)鹽監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)整體基于微流控芯片技術(shù)的流路體系，采用模擬鎖相放大電路+變步長LMS（最小均方算法）自適應(yīng)濾波算法用于微弱信號的檢測提取，最終實現(xiàn)海水營養(yǎng)鹽的多通道原位實時監(jiān)測。長期的試驗數(shù)據(jù)表明，該多通道原位監(jiān)測系統(tǒng)對于提高營養(yǎng)鹽監(jiān)測效率和準(zhǔn)確度具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞： 營養(yǎng)鹽原位監(jiān)測; 多通道回路; 實時監(jiān)測; 微流控芯片技術(shù); 微弱信號提取; 數(shù)據(jù)分析

中圖分類號： TN911.23?34; TP391.8 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）02?0087?03

Design of multi?channel in?situ monitoring system for nutrient salt

LIU Jie， LIU Yan， CAO Xuan， MA Ran， ZHANG Shuwei

Abstract： In the existing nutrient salt monitoring system， the single channel loop is adopted in general， which may result in great time consumption and pollution between the loops in the process of the sample detection， and seriously influences the working efficiency and accuracy on the sensor. Therefore， a multi?channel in?situ nutrient salt monitoring system taking STM32F401 as the control core is designed based on the existing monitoring system. On the basis of the flow path system of the micro?fluidic chip technology， the analog phase?locked amplification circuit plus variable step size LMS adaptive filtering algorithm is used in the system for the detection and extraction of weak signals， so as to realize the multi?channel in?situ monitoring of seawater nutrient salt in real time. The long?term experimental data show that the multi?channel in?situ nutrient salt monitoring system is of great significance for improving the efficiency and accuracy of nutrient salt monitoring.

Keywords： nutrient salts in?situ monitoring; multi?channel loop; real?time monitoring; micro?fluidic chip technology; weak signal extraction; data analysis

0 ?引 ?言

目前，海水營養(yǎng)鹽的監(jiān)測方法主要是根據(jù)海洋監(jiān)測規(guī)范（GB 17378—2007），采用現(xiàn)場采樣實驗室測定法[1?2]。國內(nèi)大多數(shù)營養(yǎng)鹽分析儀在結(jié)構(gòu)上均采用單通道流路，即五項參數(shù)的測定共用一套流路系統(tǒng)，這樣就不可避免地存在測樣時間長、不同參數(shù)測定時交叉污染等缺點[3?4]。

為克服以上缺點，本文設(shè)計了一種基于高級單片機(jī)STM32F401的多通道原位營養(yǎng)鹽監(jiān)測系統(tǒng)。該營養(yǎng)鹽分析儀完成整個測樣和沖洗時間僅僅需要25 min左右，得到的硅酸鹽、磷酸鹽、銨鹽、亞硝酸鹽和硝酸鹽的線性范圍分別為10～1 000 μg/L，10～300 μg/L，10～500 μg/L，5～250 μg/L，10～500 μg/L，最低檢出限分別為3.05 μg/L，2.56 μg/L，1.82 μg/L，0.85 μg/L，3.03 μg/L。

1 ?海水營養(yǎng)鹽多通道監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 ?系統(tǒng)準(zhǔn)確性、可靠性相關(guān)技術(shù)研究

1.1.1 ?基于微流控芯片技術(shù)的流路體系設(shè)計

本文在流路體系上采取國際上先進(jìn)的基于微流控芯片技術(shù)的閥島體系[5]，營養(yǎng)鹽五項參數(shù)流路在一塊微流控芯片中就能實現(xiàn)不同流路的切換。通過微型三通電磁閥組和0.1 r/m精度步長的微型蠕動泵，將海水樣品和指示劑切換抽取到定量環(huán)中，使得試劑量能夠達(dá)到μg級的精準(zhǔn)控制，然后將兩個定量環(huán)連接起來形成閉合環(huán)路并以一定的比例混合后反應(yīng)[6]。充分反應(yīng)后，打開相應(yīng)的窄帶波長LED，十字型流通池中混合指示劑水樣的吸光度通過硅光電二極管被檢測到[7]。光度檢測光路設(shè)計上采用三進(jìn)二出的光纖耦合裝置，即將每一路光路分為兩路，其中一路作為主信號，另一路作為參比信號，以此消除入射光不穩(wěn)定等干擾源的影響[8]。

1.1.2 ?基于STM32F401的電路系統(tǒng)設(shè)計

電路系統(tǒng)整體采用1主控板+4信號板+1電源板的配搭方式。主控板控制核心采用業(yè)界流行的32位微處理器STM32F401，其工作頻率可達(dá)84 MHz。該處理器包含了自適應(yīng)實時加速器和浮點運算單元，能實現(xiàn)本文的變步長LMS算法。信號板主要包括光源驅(qū)動模塊、模擬鎖相放大模塊等。電源板采用LDO和DC?DC產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓供主控板和信號板使用。電路系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖如圖1所示。

1.2 ?信號處理關(guān)鍵技術(shù)研究

1.2.1 ?模擬鎖相放大電路設(shè)計

模擬鎖相放大電路主要包括三部分：前置可調(diào)增益放大電路、相敏檢測電路及二階低通濾波電路。光電二極管的輸出電壓通過可調(diào)增益放大電路對光電信號進(jìn)行放大;相敏檢波電路進(jìn)行乘法運算以輸出直流信號和倍頻信號;二階低通濾波電路則用于濾除高頻信號，輸出直流信號給16位ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。設(shè)計原理圖如圖2所示。

1.2.2 ?變步長LMS自適應(yīng)濾波算法研究

傳統(tǒng)的LMS算法收斂速度較低，要提高收斂速度就必須提高步長[μ]，[μ]過大會導(dǎo)致較大的穩(wěn)態(tài)誤差從而使結(jié)果包含更多的噪聲[9]。針對這一矛盾，本文用變步長[μn]替代固定步長[μ]。變步長濾波的主要過程為：在保證收斂的前提下，以實時誤差[en]為依據(jù)對[μn]進(jìn)行實時調(diào)整，使[μn]最符合當(dāng)前條件的取值。本文提出了一種基于正弦函數(shù)的步長變換方式。其表達(dá)式為：

[μn=βn1-sin [π·αn·en]π·αn·en]

在正弦函數(shù)的基礎(chǔ)上，本文增加了兩個變參數(shù)[αn]，[βn]使設(shè)計達(dá)到結(jié)果收斂。本文選擇以[en]與[en-1]的比值作為[αn]的取值，即：

[αn=enen-1]

[βn]的取值會直接影響到自適應(yīng)濾波的收斂穩(wěn)定性，所以采取減小[βn]的變化程度，即降低[en]對[βn]的影響程度，[βn]的迭代公式為：

[βn=1-λβn-1+λΔen]

式中，0<[λ]<1，[λ]最好取值接近于0，保證在[Δen]變化較大時[βn]的幅度變化較小。

在Matlab中，以[yt=sin2πt100]為原始信號，濾波器階數(shù)設(shè)定為10，采樣點數(shù)為500，仿真波形如圖3所示，橫、縱坐標(biāo)分別表示采樣點數(shù)和幅值。前兩行分別是原始信號和含噪信號的波形，第三、四行分別是采用變步長、定步長LMS算法后的波形，[λ]取值0.02。

兩種算法的誤差變化對比圖如圖4所示。其中，橫、縱坐標(biāo)分別表示采樣點數(shù)和誤差值;藍(lán)、紅色波形圖分別表示定步長、變步長LMS算法的誤差變化。結(jié)果表明，變步長LMS算法在收斂時間上大大縮短，在逼近速度上更為快速，極其適用于微弱信號檢測提取場合。

2 ?系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

2.1 ?實驗室數(shù)據(jù)分析

將兩種已知濃度的海水樣品用多通道營養(yǎng)鹽傳感器測樣3次取平均值，依據(jù)相對誤差公式[δ=ΔL×100%]計算相對誤差和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。計算結(jié)果見表1。由表1可知，磷酸鹽、銨鹽和亞硝酸鹽的相對誤差小于±5%，硅酸鹽和硝酸鹽的相對誤差小于±6%;硅酸鹽、銨鹽和亞硝酸鹽的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在3%以內(nèi)，磷酸鹽和硝酸鹽的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在5%以內(nèi)。多通道營養(yǎng)鹽監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和精密度完全適用于海水樣品在實驗室條件下的快速分析。

2.2 ?比測數(shù)據(jù)分析

將本文設(shè)計的多通道營養(yǎng)鹽傳感器放置于本單位位于青島中苑碼頭（坐標(biāo)36°06′N，120°31′E）的3 m浮標(biāo)上進(jìn)行為期1個月的現(xiàn)場比測，每日9：00和15：00各比測1次。同時根據(jù)GB 17378.4—2007，采集現(xiàn)場海水并用紫外?可見分光光度計（Agilent Cary 100）進(jìn)行實驗室分析[10]。比對結(jié)果如圖5所示，本文研制的多通道營養(yǎng)鹽監(jiān)測系統(tǒng)儀器法和國標(biāo)法所得結(jié)果基本一致，可以對海水營養(yǎng)鹽含量的變化情況做出有效的評估。

3 ?結(jié) ?語

本文對原位營養(yǎng)鹽在線監(jiān)測技術(shù)在工藝流路體系、硬件電路設(shè)計及軟件濾波算法等方面提出一種新的實現(xiàn)方法，能實時、準(zhǔn)確反映海洋生態(tài)環(huán)境的綜合指標(biāo)，彌補了現(xiàn)有監(jiān)測方法測樣時間長、數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確等缺點，符合我國海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的實際需求。國標(biāo)法與原位法比對結(jié)果表明，本文設(shè)計的多通道原位營養(yǎng)鹽監(jiān)測系統(tǒng)是一種穩(wěn)定、高效的解決方案，不僅能用于實驗室快速分析，尤其適用于浮標(biāo)、科考船、臺站等體系的長期原位監(jiān)測，對海洋生態(tài)環(huán)境的監(jiān)管以及更廣泛地開展海洋調(diào)查提供了可靠的保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭劍鋒，李付寬，孫力平.濱海地區(qū)混鹽水體富營養(yǎng)化主因子識別與分析：以天津市清凈湖為例[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2016，36（3）：785?791.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.海洋監(jiān)測規(guī)范：GB 17378—2007[S].中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2008.

[3] 張新申，蔣小萍.多種營養(yǎng)鹽的自動分析儀與自動分析方法：CN201010529916.8[P].2011?02?16.

[4] 馬然，曹煊，劉巖，等.基于微流控技術(shù)的營養(yǎng)鹽原位分析方法的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2016，29（11）：1659?1665.

[5] 葉林安，章紫寧，朱志清，等.采用流動注射分析法測定海水中的五項營養(yǎng)鹽[J].浙江水利科技，2016（3）：4?8.

[6] 李宇杰，霍曜，李迪，等.微流控技術(shù)及其應(yīng)用與發(fā)展[J].河北科技大學(xué)學(xué)報，2014（1）：11?19.

[7] BERTAZZON S， O"HARA P D， BARRETT O， et al. Geospatial analysis of oil discharges observed by the national aerial surveillance program in the Canadian pacific ocean [J]. Applied geography， 2014， 52： 78?89.

[8] TIAN X， JU M， SHAO C， et al. Developing a new grey dynamic modeling system for evaluation of biology and pollution indicators of the marine environment in coastal areas [J]. Ocean & coastal management， 2011， 54（10）： 750?759.

[9] 張紅梅，韓萬剛.一種新的變步長LMS自適應(yīng)濾波算法研究及其應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報，2014（8）：1822?1830.

[10] 郭翠蓮，程永強(qiáng)，褚東志，等.海水五參數(shù)原位營養(yǎng)鹽分析儀的研制[J].山東科學(xué)，2018，31（2）：1?8.

作者簡介：劉 ?杰（1986—），男，山東濱州人，碩士研究生，工程師，研究方向為海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)、計算機(jī)測控技術(shù)。

劉 ?巖（1972—），男，山東青島人，博士研究生，研究員，研究方向為海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)及裝備。

曹 ?煊（1980—），男，山東青島人，博士研究生，研究員，研究方向為海洋生態(tài)環(huán)境新型傳感器技術(shù)。