多参数水质检测仪控制与信号处理系统软件设计

韩孝贞，温志渝，谢瑛珂，魏康林，周小峰

(1．国家级微纳系统与新材料技术国际联合研究中心，重庆　400044；2．新型微纳器件与系统国家重点学科实验室，重庆　400044；3．重庆大学微系统研究中心，重庆　400044；4．三峡大学理学院，湖北宜昌　443002)

0　引言

水质检测是水资源环境保护及治理的前提和基础[1]，基于连续光谱分析的多参数水质检测技术[2]是现代水质检测技术的一个重要发展方向，具有试剂消耗少、重复性好、测量精度高、测试速度快等优点[2]。控制与信号处理系统是水质检测仪的核心组成部分，针对研制的基于微型光谱仪的多参数水质检测仪控制与信号处理的技术要求，设计功能完善的控制与信号处理系统软件，对于提高多参数水质检测仪的可靠性、稳定性、自动化程度及智能化水平具有重要作用。

1　多参数水质检测仪控制与信号处理系统

多参数水质检测仪(控制与信号处理系统结构如图1所示)基于顺序进样、顺序检测的原理，通过流路系统将经物理预处理后的在线水样和被测水质参数对应的化学前处理试剂按一定的体积依次抽取到样品反应检测室(简称“样品室”)，并在样品室中完成在线样品化学前处理反应，经光谱分析检测水样中被测水质参数的含量[2]。完成1个水质参数的检测后，再通过流路系统快速地自动清洗样品室，然后抽取在线水样和下一个被测水质参数对应的检测试剂，进行下一个水质参数的在线检测。其中，控制与信号处理系统是实现多参数水质检测仪顺序检测的核心，对流路进样控制，样品化学前处理的控制(搅拌控制、超声辅助消解控制及恒温控制)，清洗控制和样品反应体系光谱信号的处理是实现仪器精确检测的关键。因此，针对仪器控制与信号处理系统工作原理，设计控制性强、运行效率高、界面友好的控制与信号处理软件，对于实现水质检测仪的精确检测及提高其自动化程度具有重要的实际意义。

图1　控制与信号处理系统结构

2　控制与信号处理系统软件设计

2．1软件总体结构

结合多参数水质检测仪控制与信号处理系统的原理，采用自上而下的模块化设计准则，设计了基于嵌入式ARM的多参数水质检测仪控制与信号处理系统软件的总体结构，如图2所示。其中，控制系统包括光源控制、流路控制(主流路控制与辅助流路控制)、样品化学前处理控制(搅拌控制、超声消解控制与恒温控制)和清洗控制；信号处理系统包括光谱信号处理(采集光谱信号、系统误差处理、噪声信号处理与背景干扰消除)和测试方法(标准曲线建立、质控样品测试与待测水样测试)等。

图2　控制与信号处理系统软件结构

2．2控制系统软件设计

根据多参数水质检测仪控制与信号处理系统软件结构，设计了控制系统软件的主要流程，如图3所示。测试时，首先进行系统初始化，包括硬件初始化、光源稳定等，然后进行水质参数的测量。水质参数的测量控制流程如下：首先进行流路系统初始化，然后按一定体积抽取标液并进行稀释，再抽取相应的检测试剂，选择性地进行超声辅助消解，经搅拌及静置等待后，光谱仪采集光谱数据，并进行相关的数据处理，最后清洗系统。

图3　系统测试控制流程

2．3信号处理系统软件设计

信号处理系统软件主要包括对光谱仪采集数据的处理，以及建立吸光度差-浓度标准工作曲线并根据标准工作曲线检测水样中被测物质的含量，具体流程如图4所示。

图4　测量系统软件流程

首先，对光谱仪采集的光强进行处理，采用3σ原则剔除由CCD(Charge coupled device，电荷耦合元件)探测器像元数据跳变产生的粗大误差，再进行多次平均减小随机误差[3]。然后，在光谱曲线中扣除暗噪声光谱曲线(暗噪声光谱曲线为关闭光源时采集的蒸馏水光谱曲线)，消除CCD探测器在检测时产生暗电流而出现的暗噪声[3]。扣除暗噪声后，根据朗伯-比尔定律建立吸光度曲线，对吸光度曲线进行滑动平均，去除曲线中毛刺等噪声的影响。图5给出了不同浓度六价铬溶液的原始光谱曲线与滑动平均之后的曲线，从图中可看出，滑动平均保留了光谱信号的波形特征，并有效地去除了尖峰和突变噪声。

图5　不同浓度六价铬溶液的光谱曲线

滑动平均后得到的光谱曲线中还含有由浊度等引起的背景干扰[4]，为抑制其影响，采用双波长光谱分析法[4]进行建标测量，即先建立吸光度差-浓度标准工作曲线，然后采集被测水样中待测水质参数的光谱，并进行相关数据处理，最后根据标准工作曲线得出被测物质浓度。

2．4软件图形用户界面设计

根据多参数水质检测仪对应用软件在参数选取、基本信息修改、测试及测试结果的存储与查询等方面的操作需求，设计了控制与信号处理系统软件的图形用户界面。界面分为参数编辑、系统配置、参数测试和历史数据4个模块，如图6所示。其中，参数编辑用于编辑测试项目的基本信息；系统配置用于设置光谱仪参数及调试等；参数测试用于选择测试项目、进行检测并显示测试结果等；历史数据用于查询、编辑测试历史记录等[3]。

图6　图形用户界面结构布局

图7是实际测试时的部分图形用户界面，分别为参数编辑界面(上)和参数测试界面(下)。

图7　部分图形用户界面测试效果

3　控制与信号处理系统软件的联机测试

3．1标准工作曲线建立实验

标准工作曲线建立直接影响到测试结果的准确度，以六价铬为检测对象，取浓度为0.1 mg/L的工作液，仪器自动在线稀释为浓度0.01 mg/L、0.02 mg/L、0.04 mg/L、0.06 mg/L的标准溶液，并对4个标准溶液进行吸光度测试，测试结果如表1所示。

表1　六价铬建标数据

以540 nm为主波长(λ1)、640 nm为参考波长(λ2)建立的标准工作曲线(横坐标为浓度c，纵坐标为吸光度差ΔA)如图8所示。由实验结果可知，测试灵敏度为1.020 2，线性相关系数为0.999 6，即标准工作曲线具有较高灵敏度及线性度。

图8　六价格的标准工作曲线

3．2水样测试实验

为测试仪器的准确度及重复性，配置浓度为0.01 mg/L、0.03 mg/L、0.05 mg/L的六价铬水样，用多参数水质检测仪及所设计的软件进行联机水样测试，每个浓度的水样分别连续测量7次，测量结果如表2所示，并分别对标准差、相对误差等进行了相关计算，计算结果如表3所示。从表中可以看出，仪器的测量准确度(相对误差)不大于±5％，重复性(相对标准偏差)小于3％，满足在线水质检测仪器的国家技术标准要求[5]。

表2　不同浓度六价铬水样多次实验检测结果　mg/L

表3　不同浓度水样多次实验统计分析　％

4　结束语

介绍了基于可见光光谱分析法的多参数水质检测仪的系统结构及顺序检测原理，在此基础上设计了控

制与信号处理系统软件的总体架构，并采用自上而下的模块化设计方法实现了软件系统的设计。实验结果表明：软件的运行效率高，界面友好，且采用的双波长光谱分析建标测量法在一定程度上提高了仪器的测试准确度与重复性。

参考文献：

[1]ZHU L Y，WANG S X．Water Quality Monitoring in Taihu Lake Using MODIS Image Data．2004 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings，Anchorage，2004．

[2]WEI K L，WEN Z Y．Research Advances in Water Quality Monitoring Technology Based on UV-Vis Spectrum Analysis．Spectroscopy and Spectral Analysis，2011，31(4)：1074-1077．

[3]高亮．基于Linux的多参数水质监测仪的软件系统设计：[学位论文]．重庆：重庆大学，2011．

[4]杨泉生，聂基兰．双波长分光光度法的原理及应用．北京：化学工业出版社，1992：5-48．

[5]HJ 609—2011六价铬水质自动在线监测仪技术要求．

温志渝(1949—)，教授，博士生导师，主要从事微系统传感器及微系统集成技术的研究。

E-mail：wzy@cqu．edu．cn