文｜張艷杰 康智慧 譚景輝

一、引言

水資源在地球上是十分寶貴的財富，在生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都是必不可少的。針對于地下水的監(jiān)測方面，目前我國采用最多的還是人工測量的方式或者利用從國外購置引入的專用監(jiān)測儀器和自動化監(jiān)測系統(tǒng)，采取現(xiàn)場的水樣，保存并送到實驗室進行專業(yè)的測試分析。這些監(jiān)測工作基本都是對水位或水質(zhì)進行的單項監(jiān)測，因此，研究地下水污染物自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有實際意義。在地下水的自動化監(jiān)測方面，地下水情況的參考數(shù)據(jù)一般都是水位、濁度、溶氧量等參數(shù)。虛擬儀器（以下稱LabVIEW），能夠?qū)崟r進行數(shù)據(jù)處理，快速高效。因此，本文設(shè)計了基于LabVIEW的地下水污染物遷移監(jiān)測系統(tǒng)，通過對多個相同監(jiān)測系統(tǒng)的多個地點的數(shù)據(jù)進行采集和處理，實現(xiàn)對地下水的污染物離子濃度監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

二、虛擬儀器

LabVIEW可以同時測量多個參數(shù)，效率很高?？梢愿鶕?jù)實際需求進行隨機改變，更新周期縮短，時效性強。采用LabVIEW則不用采用更多的硬件設(shè)備，節(jié)約成本?？梢娀贚abVIEW的地下水污染物遷移自動化監(jiān)測系統(tǒng)不僅僅能夠?qū)崟r監(jiān)測到地下水中離子濃度的情況，而且也彌補了以單片機等硬件設(shè)計研發(fā)監(jiān)測設(shè)備的不足之處，而且檢測系統(tǒng)成本低，操作十分簡單。

三、基于LabVIEW的地下水污染物遷移監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

（一）系統(tǒng)總體流程設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)要實現(xiàn)對地下水污染物的遷移監(jiān)測，要進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析處理，并且同時實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、打印、存儲、查詢等操作處理功能。因此設(shè)計主要包括硬件部分設(shè)計和軟件部分設(shè)計。硬件部分有傳感器、信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡，軟件部分則是數(shù)據(jù)采集和處理的編程設(shè)計（見圖1）。

圖1 總體設(shè)計流程圖

（二）硬件部分設(shè)計

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，硬件部分主要包括三部分：傳感器、信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡。功能主要是實現(xiàn)測量的數(shù)據(jù)信號的采集、放大和傳送到電腦。因此硬件設(shè)計的主要任務(wù)就是完成傳感器選型、放大電路設(shè)計以及數(shù)據(jù)采集卡選型。

傳感器的功能主要是采集地下水中影響水質(zhì)的污染物的離子濃度并且能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡的電壓信號，而且選擇傳感器時還要考慮到實用性、成本、測量范圍、響應(yīng)速度、精確度等因素。離子選擇性電極是一種不需要復(fù)雜儀器就可以對待測液體進行無破壞性分析的簡易工具，各種形式存在的離子都可以用它檢測分析，幾微升的待測樣品都可以進行測量，所以十分適合用于野外的自動監(jiān)測和分析。因此決定選擇實用性較高的離子選擇性電極。

通過傳感器采集得到離子濃度數(shù)據(jù)，還需要根據(jù)實現(xiàn)的功能需求進行特殊處理。信號調(diào)理電路主要就是進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理工作。由于不同類型的傳感器具有不同的功能，除了考慮到一些常見的特性，還需要根據(jù)不同傳感器的性質(zhì)和要求來實現(xiàn)其特殊的信號調(diào)節(jié)功能。傳感器通常輸出一個小信號，必須使用適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)節(jié)電路，以減少量化誤差。將電路的輸出電壓傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后輸入到電腦端。

根據(jù)放大器電路的要求，通過對通用型運算放大器LM324和OP07運算放大器進行仿真對比，仿真結(jié)果顯示LM324的放大倍數(shù)有一定的誤差，對信號的真實程度影響較大，而OP07運算放大器基本沒有誤差，故選擇OP07運算放大器作為本次設(shè)計的信號放大電路。

針對于需要實現(xiàn)的功能要求，查詢相關(guān)資料后擬采用研華系列板卡。最后選擇PCI1711U作為數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)挠布?，它主要由PCI1711 DAS卡、驅(qū)動光盤（含有驅(qū)動軟件）、接線電纜和接線板這幾部分組成。

（三）軟件部分設(shè)計

軟件設(shè)計部分是利用LabVIEW進行編程實現(xiàn)，根據(jù)設(shè)計要求實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入、處理等操作。根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求需達到功能，軟件設(shè)計系統(tǒng)的顯示界面設(shè)計如圖2所示，限于篇幅原因，部分程序框圖如圖3所示。

圖2 顯示界面設(shè)計圖

圖3 部分程序框圖

離子濃度數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器測量，放大電路處理后通過數(shù)據(jù)采集卡輸入端傳輸?shù)絇C機，然后電腦利用LabVIEW中已經(jīng)安裝好的研華板卡的工具包對板卡進行打開、配置、選擇通道來采集數(shù)據(jù)。由于采集到的數(shù)據(jù)信號經(jīng)過了放大電路的放大處理，以及離子選擇電極的電勢差，因此需要求出原來的電勢差，再根據(jù)離子濃度符合能斯特公式設(shè)計算法，計算出離子濃度，如圖4所示。

圖4 公式算法圖例

LabVIEW中有很多函數(shù)都可用于實現(xiàn)保存輸入的數(shù)據(jù)的功能。參考數(shù)據(jù)的大小和數(shù)據(jù)的保存方式，可以根據(jù)用戶的需求選擇對應(yīng)的數(shù)據(jù)保存函數(shù)來存儲數(shù)據(jù)，這些函數(shù)能夠把數(shù)據(jù)存儲成不同的格式，設(shè)計的數(shù)據(jù)存儲采用二進制測量文件保存方式。

本次設(shè)計采用了LabVIEW自帶的打印報表VI，結(jié)合了事件結(jié)構(gòu)，當(dāng)用戶根據(jù)自己需求選擇打印哪一條通道數(shù)據(jù)時，按下對應(yīng)的按鈕，就會觸發(fā)事件，然后即可進行打印操作。

如果需要查看以前的數(shù)據(jù)進行對比時，可以執(zhí)行此操作，把歷史數(shù)據(jù)顯示出來進行對比。基于需求采用事件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)按鈕觸發(fā)事件，當(dāng)按鈕值改變，觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)和條件結(jié)構(gòu)，進入for循環(huán)，再根據(jù)設(shè)置的讀取個數(shù)把數(shù)據(jù)從存儲的文件中讀取出來。

當(dāng)數(shù)據(jù)量較大的時候，想要只觀察后來采集的數(shù)據(jù)，此時可以執(zhí)行此操作，把前面數(shù)據(jù)顯示部分清除。此部分設(shè)計根據(jù)按鈕的值改變觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)對應(yīng)的分支，根據(jù)對應(yīng)按鈕的屬性節(jié)點進入條件結(jié)構(gòu)，進而初始化波形圖表。當(dāng)查詢歷史數(shù)據(jù)后，若需要把顯示的數(shù)據(jù)清除可以點擊按鈕進行此操作，設(shè)計跟清除數(shù)據(jù)部分基本相同。

四、仿真驗證分析

以某段水域的數(shù)據(jù)為例，驗證該模型的有效性?；贚abVIEW的地下水污染物遷移自動監(jiān)測系統(tǒng)的顯示波形圖如圖5所示。

五、結(jié)語

圖5為當(dāng)前條件下的該水域中離子數(shù)據(jù)趨勢圖。我們在該水域上游、中間、下游放置傳感器，并將其與PC端的通道2、通道0、通道1 對應(yīng)。根據(jù)實際情況，傳感器探測得到某處的離子濃度先下降隨后穩(wěn)定在一個數(shù)值處，并且結(jié)果中離子濃度的上限值警示燈亮起，說明該水域存在污染，并且污染物的濃度超過警示上限。在其他位置放置的傳感器檢測水域中該離子濃度的變化。在下游檢測到該水域的離子濃度呈現(xiàn)上升趨勢，并且幅值變化較快，與PC端通道1中顯示結(jié)果一致。在上游檢測到該水域的離子濃度也呈現(xiàn)較小幅度的攀升，但是未超過警示上限值。仿真結(jié)果顯示污染物的移動趨勢往下游方向移動，與實際結(jié)果基本一致。

圖5 波形顯示圖

地下水的監(jiān)測工作就是為了保障我國的可用水資源的可持續(xù)發(fā)展。本次設(shè)計利用多傳感器實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、并利用LabVIEW進行數(shù)據(jù)的分析處理，根據(jù)傳感器傳輸數(shù)據(jù)與監(jiān)測系統(tǒng)在不同通道顯示的數(shù)據(jù)進行對比分析實現(xiàn)對地下水污染物遷移的自動監(jiān)測。