水质快速检测设备的硬软件设计及实现

高 超，胡 孟，吴国荣，宋卫坤

(1.江苏科技大学机械工程学院，江苏镇江 212003；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048)



水质快速检测设备的硬软件设计及实现

高 超1，胡 孟2，吴国荣1，宋卫坤2

(1.江苏科技大学机械工程学院，江苏镇江 212003；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048)

[目的]研制水质快速检测设备，实现水质的现场多指标快速检测。[方法]对设备的硬件及软件进行了设计。硬件设计包含了MP2303芯片、锂电，Cortex-M3型ARM微控制器、树莓派显示系统、光频转换器等的设计；软件设计则包含了软件设置、项目选项、项目测量结果以及测量数据表格输出等模块的设计；并对水质快速检测设备的可靠性进行了试验检验。[结果]通过对该设计的设备硬件和软件合理搭配连接，从而研发出了水质快速检测设备。用该设备与国家标准要求的设备同时测定某一河道水样的5项指标结果发现，3个样点水样中铁、氨态氮、氟化物、硝酸盐和6价铬含量的两组数据值接近，无明显差异。虽然国家标准法检测下限比快测法高一个数量级，但快速设备的测定结果不影响操作员对水质的判断，说明该水质快速检测设备精密度高；两种测定方法的稳定性比较，结果快速测定法的5个指标数据的相对偏差略高于国家标准法(3.92%)，但其测定结果能够较好地满足现场测定要求，说明该水质快速检测设备稳定性良好。[结论]该水质快速检测设备的检测精度和稳定性较高，可满足水质的现场快速检测要求。

水质快速检测；硬件设计；软件设计

我国自然灾害及突发事件频发，容易对水环境造成破坏和污染。如地震容易造成污水管道破裂和污水外溢，或引发危险品的泄漏，造成水污染。另外，水体的流动性更是会扩大污染影响[1-2]。针对水环境污染，在第一时间现场对水质进行检测，及时获取相关数据，了解水质状况，对确保饮水安全，指导抗灾救灾具有重要意义。

水质快速检测设备可以实现水质的现场快速检测。余立婷等介绍了水质快速检测中的比色器法、光度计法以及国外的哈希法，指出国内检测设备的检测精度较低，国外哈希法的检测结果精度较高，稳定性较好[3]。苏慧等介绍了水质快速检测盒与国标法在水质检测中的应用，在精密度和准确度方面，水质快速检测盒的检测结果与国标法相比还有差距[4]。廖和琴等介绍了基于液滴分析技术的水质检测仪器，其检测指标较少，没有清洗装置，容易交叉干扰，影响检测结果的准确性[5]。刘园园介绍了智能化便携式水质检测仪，检测仪的检测项目较少，必须连接工作电压才能使用，不能满足野外应急检测的要求[6]。张磊等介绍了基于电极法的水质检测仪，检测仪的电极容易受损，影响检测结果[7]。Yue LIAO等介绍了支持向量机(Support Vector Machine)法，通过记录水中生物的行为数据来检测水质，结果表明检测时间较长，检测精度低，可行性差[8]。

通过上述分析可以知道，虽然水质快速检测设备种类繁多，但却存在这样或那样的局限性，国外的产品如美国的哈希等检测精度高，检测速度快，且可以完成十几甚至几十项指标检测，但设备及专用试剂昂贵，检测成本很高。因此从减少对国外产品的依赖，降低检测成本的角度考虑，研发具有自主知识产权的现场水质快速检测设备，具有重要的技术意义和市场价值。

1 水质快速检测设备的总体设计

1.1 设备构成

设备的构成主要包含4个方面：(1)电源系统，可以实现电源充电及电池(锂电)单独供电；(2)控制系统，采用STM32的ARM内核控制器，接受测试命令，控制LED灯波长，测量传感器输出频率，并将频率的数据传输给显示系统；(3)显示系统，采用触控方式，可发出控制命令，并显示数据；(4)测量系统，包括光源及光-频率转换器等。

1.2 控制策略

由触摸屏发送测量控制命令，处理器接收命令，控制并发射相应波长的光束，光束经样品池，由光-频率转换器接收。测试稳定后，光频转换器输出频率，经触发器将频率分频，并对波形整形，输入处理器。处理器通过定时器及外部中断的方式，测出频率值。该测试分为两步，首先对样品进行空白测量，再对加有试剂的水样进行测试。2次测量的差值结合吸光度曲线，计算浓度值，并将浓度值通过串口发送到触摸屏进行显示。

2 详细设计

2.1 硬件设计

(1)电源。电源系统设计如图1所示。

外部12 V电源适配器，用于给设备供电及锂电池充电。锂电池输出电压为12 V，经DC-DC芯片MP2303后输出5 V电压，分为两路：一路分接到低压稳压器AM1117-3.3，输出3.3 V，用于控制系统及测量系统的供电；另一路分接于显示系统。

(2)控制系统。控制系统采用基于Cortex-M3的STM32F103系列的芯片，该系列芯片是由意法半导体公司出品的32位ARM微控制器，其时钟最高可达72 MHz，高于目前常用的NXP(恩智浦半导体)的LPC2136芯片(时钟最高为60 MHz)，有效地增强了控制系统的工作效率。控制系统接收触摸控制命令，控制光源发射相应波长，测量传感器输出频率，并将频率数据传输给显示系统。该系统外设功能丰富，能够满足更多的使用需求；同时该系统拥有更多的低功耗模式，增强了设备的续航能力。系统除了包含MCU处理器外，还配有UART接口的驱动电路和PL2303的USB转串驱动器，使控制系统的数据传输更加方便。

(3)显示系统。设备采用树莓派触摸显示系统，是基于Linux操作系统的MINI PC，并在MINI PC里安装了显示软件。MINI PC通过相应软件驱动树莓派串口，使树莓派的串口发送控制数据到STM32控制器中，从而接收STM32控制器中测量的数据，并将其在界面上显示。树莓派触摸显示系统具有性能好、功能齐全、成本低、体积小等优点，同时可以运行完整的操作系统，自带较全面的接口，图形性能强。树莓派触摸显示系统体积较小，与其他系统的连接方便，减小了整个设备的体积,便于携带。树莓派触摸显示系统的显示效果如图2所示。

(4)测量系统。测量系统主要包括LED阵列和光频率转换器两个部分。LED阵列发射特定波长的光，并使光经过样品池照射在光-频率转换器TSL238D上。其具有亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点，能够有效增强水质快速检测设备的工作寿命。目前的LED阵列主要包含了λ=520 nm与λ=640 nm波长的LED灯。LED阵列实物如图3所示。

光-频率转换器用来测量LED阵列的光强度，其接收光后会输出频率，光的强度与频率的高低成正比。测量系统采用D触发器(data flip-flop)将光-频率转换器输出频率进行分频，同时对波形进行调制，然后输入到处理器中。处理器通过定时器及外部中断的方式，测出频率值。该设计采用了两路单板设计，节约了成本，光-频率转换器原理如图4所示。

在光-频率转换器PCB(印制电路板)设计中，必须先按照电路的流程安排各个电路单元的位置，使布局便于信号流通，同时尽量减少和缩短各元件之间的引线和连接，并尽可能使元件并行连接，从而便于装焊，PCB设计图如图5所示。

在光-频率转换器的设计过程中，可通过测量图5中TP1点下方的灯打开与关闭2种状态下的频率来进行调试，验证设计的可行性。试验测得灯打开时频率为1.95 KHz，灯关闭时频率为55.27 Hz，说明该设计可行，测试数据如图6、7所示。

2.2 软件设计

软件设计即对触摸显示屏中运行的软件进行设计，其功能模块由软件设置、项目选项、项目测量结果和测量数据表格输出模块组成。其中软件设置主要是根据水质检测设备的功能进行软件程序的开发；项目选项指对水质进行测量的指标选项，可以根据现场水质的实际情况，合理选择需要检测的水质指标；项目测量结果即选测的水质指标的数据，在一定程度上反映了水质的状况；设备将会根据测得的多组水质指标数据进行智能处理，以数据表格的形式在设备的显示屏上显示，从整体上评估水质的基本状况。在模块设计的基础上，对软件的操作流程进行优化设计，使软件易于操作，运行效率高，操作流程如图8所示。

(1)软件设置。软件设置以水质检测设备的功能为基础进行设计，主要包括串口号、波特率、停止位和校验位的设置。通过对软件的整体设计，增强数据的传输速率和质量，提高设备的整体运行效率。软件的串口设置界面如图9所示。

软件的部分代码如下：

void Settingdialog::fillPortsParameters()

{

QStringList comList;//串口号

QStringList baudList;//波特率

QStringList parityList;//校验位

QStringList dataBitsList;//数据位

QStringList stopBitsList;//停止位

QStringList flowControl;

#ifdef Q_OS_WIN//如果是windows系统

currentSettings.protname = "COM1";

#else//如果是unix或者其他系统

currentSettings.protname = "ttyUSB0";

#endif

(2)软件测量参数设计。软件测量参数设计主要包括检测项目、取样体积、总体积、待测液体积和定容体积的设计。对检测项目的各个测量参数进行详细设置并进行检测时，只需在软件界面输入检测项目需要的各个参数，便可方便地得到需要的水质检测结果。数据测量的流程分为3步，先对水样进行相应测试项的空白测试；然后对水样添加相应的试剂显色后，进行样品测试；最后将两次测试的结果进行运算，计算出浓度值，并将浓度值通过串口发送到触摸屏进行显示。软件测量界面如图10所示。

软件测量参数设计的部分代码如下：

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("编号"));

model->setHeaderData(1，Qt::Horizontal，tr("检查项目"));

……

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

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

3 试验验证

对所设计的设备硬件和软件合理搭配连接，从而研发出了水质快速检测设备。为验证水质快速检测设备的检测精度和稳定性，分别采用水质快速检测设备与国家标准法，对某河道3个样点的水中的铁、氨态氮、氟化物、硝酸盐氮和6价铬指标进行了检测试验，并对2种方法的检测结果进行对比分析(表1)。

从表1可以看出，2种方法的测试结果直观分析数据接近，说明水质快速检测设备的检测精度较高。检测设备对水样的测定下限也在《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)的限量指标范围内。

表1 水质快速检测法与国家标准法检测结果的比较 mg/L

注：测定的浓度为3次测定的平均值。

由表2可知，2种方法测得的水中铁、氨氮、氟化物、硝酸盐氮、6价铬含量的平均值相差并不明显，快速检测法的相对偏差虽然较大些，但不影响测量结果的稳定性。

表2 水样快速检测法与国家标准法的稳定性比较

注：平均值为取样3点所得数据平均值，平均偏差为取样3点测得数据减去平均值后的绝对值再取平均值；相对偏差为平均偏差除以平均值。

通过对现场水质的检测，并对2种方法测得的水质指标数据进行了合理的分析比较，结果表明该检测设备的检测精度和稳定性较好，其测定结果能够较好地满足现场水质快速检测的要求。

4 结语

针对目前国内检测设备检测精度较低、国外检测设备价格昂贵的现状，对水质快速检测设备进行了设计，研发了便捷式水质快速检测设备。该设备硬件及软件设计合理，便携性强，检测指标多样，续航时间长，检测速度较快，可靠性好，满足了水质现场快速检测的要求，具有较高的实用价值和推广价值。

[1] 王芳.我国生活饮用水安全卫生与健康问题现况和对策[J].应用预防医学，2014,20(5)：319-321.

[2] 许嘉宁，陈燕.我国水污染现状[J].广东化工，2014,41(3):143-144.

[3] 余立婷，赵振华，陶海强.几种水质现场快速检测方法的比较与优化[J].安全与环境工程，2013,20(3):73-76.

[4] 苏慧，周红，赖先志.水质快速检测方法与国标法在水质检测中的应用比较[J].中国卫生检验杂志，2011,21(5):1123-1126.

[5] 廖和琴.基于液滴分析技术的水质检测仪器的设计[D]. 天津:天津大学，2012：6-10.

[6] 刘园园.智能化便携式水质检测仪的设计[J].电子科技，2013,26(11):135-138.

[7] 张磊，任妹娟，史云,等.便携式多参数水质分析仪研制[J].安徽农业科学，2009,37(11):5324-5326.

[8] LIAO Y,XU J Y,WANG Z W.Application of biomonitoring and support vector machine in water quality assessment[J].Zhejiang Univ-Sci B(Biomed & Biotechnol),2012,13(4):327-334 .

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

十二·五科技支撑课题(2012BAJ25B04)：村镇应急水处理关键技术及设备研发。

高超(1979-)，男，山东淄博人，博士，讲师，从事检测技术及装备研究。

2015-11-11

S 220.2；X 853

A

0517-6611(2015)35-370-04