基于物联网的水质在线自动监测系统研究与实现

李随群， 蔡郡倬， 高祥， 卢令

(1.四川理工学院a.计算机学院;b.机械工程学院;c.分析测试中心， 四川自贡643000;2.同济大学化学科学与工程学院， 上海200092)

引言

随着自动化技术、计算机应用技术的不断更新以及智慧地球概念的不断深入，人们对水环境保护的关注度也不断提高。在我国，水质监测方法已从传统的定时定点采样、实验室离线分析发展到了水质在线监测[1]。实验室离线分析测量周期长、操作复杂、实验要求严格，且不能满足实时监测的需求。设计出小型化、自动化的水质在线自动监测仪器已成为水质监测仪器发展的趋势[2-3]。目前水质参数检测的方法多采用分光光度法和电极法，分光光度法多采用注射器取样配比，需要反复清洗等，操作复杂；电极法虽然测试灵敏，但电极对检测样品质量参数要求高，且电极较脆弱，需定期维护。针对此种情况，本文采用分光光度法，并基于蠕动泵和多通电磁阀抽取样品和配比溶液，蠕动泵由步进电机控制，易于控制抽取样品和配比溶液的剂量，并结合多通电磁阀优化了反复清洗管道的检测步骤，缩短了检测的周期，同时避免了溶液残留造成的检测干扰。针对文献[4-6]分析的水质检测的方法及应用的场所，本文基于PLC和MCGS技术设计了针对江河流域的水质自动检测系统。

1水质检测的原理及方法

水质检测方法主要可分为分光光度法和电极法，其中纳氏试剂和水杨酸分光光度法都属于分光光度法[7-8]。分光光度法是根据测定被测物质在一定波长范围或特定波长处对光的吸收度，进而对该物质进行定性和定量分析的方法[9-10]。文献[11-12]对几种检测方法进行了分析，综合比较得知纳氏试剂法比水杨酸分光光度法更具有易操作、稳定性高、连续性强、耗材试剂不易变质、对测量环境适应强等优点。氨气敏电极法对检测样品的pH要求较高，电极比较脆弱、寿命较短，需定期更换，且电极法对测试环境要求高，否则会影响测试精度。

综上所述，本文采用纳氏试剂比色法测氨氮的含量，根据朗伯比尔定律，反应后的生产物对一定波长的光波吸收量成比例关系，依据水样的吸光度计算水质的参数[13]。

C=k×A+b

(1)

式中：C为水样的浓度；k为标准曲线的斜率；b为标准曲线的截距；A为吸光度。

2水质监测系统设计

2.1系统架构设计

水质监测系统采用C/S模式，整体架构如图1所示。客户端主要由检测装置、控制器等构成，负责采集水质的数据信息，并通过有线网络和4G网络传输给服务端[14]；远程监控中心实现服务端的功能，服务端负责接收客户端采集的数据信息，并发送系统任务命令实现对客户端的控制。本文针对单个检测点进行介绍分析，实际应用中根据河流具体特征及支流入水口的位置合理设置多个检测节点。

图1监测系统的C/S结构

2.2水质监测系统拓扑结构设计

基于物联网的水质监测系统总体拓扑结构如图2所示，由感知层、网络层、应用层三部分构成。感知层是系统设计的重点，由控制模块、蠕动泵、多通电磁阀、流量计、检测装置等构成。蠕动泵的作用是配合水质检测装置抽取检测样品和检测试剂，以及排出检测后的废液。蠕动泵抽取和排出液体的运动由步进电机控制，步进电机运动精度会影响抽取样品及试剂的量，从而直接影响测试结果，所以，本系统选取制作工艺精密的美国Cole-Parmer仪器公司生产的Master Flex L/S系列的蠕动泵。网络层由WiFi和4G网络DTU传输模块构成[15-17]，该部分使用移动通信网络连接。应用层由数据中心、远程监控中心构成，该部分采用Internet网络实现互联。

图2系统拓扑结构图

3系统硬件设计

水质在线自动监测系统硬件设计部分主要有控制器模块、水质检测模块、水质监控显示模块、远程数据传输模块、通信接口模块、电源模块等。

3.1水质自动检测装置设计

水质自动检测装置是监测系统的一个重要组成部分，其结构如图3所示。系统采用西门子PLC作为水质自动检测的主控制单元，主要通过控制电磁阀的动作来完成检测液体的预处理、调配等，采用流量计来测量检测液体的总量，利用分光光度计来检测水质参数。检测装置首先将分光光度计检测的水质参数的数据传输到监测控制单元，再通过4G-DTU模块将数据信息传输到远程终端，登录终端监控软件可查询监测信息，人机交互界面MCGS可对监测到的数据进行显示和分析处理。3.2稳压电源模块设计

5 V稳压电源为光电比色装置提供±5 V电压，保证了检测装置的正常工作。5 V稳压电源电路工作原理图如图4所示。

图3水质检测装置结构图

图4 5 V稳压电路图

3.3光电液位检测装置

光电液位检测装置对检测到的液位信息进行处理，计算出每次测量抽取或排出试剂的量。光电液位检测控制板采用24 V DC供电，通过串口和PLC通信，将检测到的数据信息传输给PLC，实现检测的智能控制。光电液位检测板电路原理图如图5所示。

图5光电液位检测电路图

4系统软件设计

4.1检测装置功能设计

系统检测流程如图6所示。检测装置工作流程为：(1)系统上电；(2)系统初始化，判断初始化是否完成；(3)选择自动或手动检测方式。自动检测方式需要设定定时器参数，才能执行自动监测，手动方式则通过单点测试的方式进行检测；(4)将检测的数据传输并显示；(5)检测结束。

图6检测流程图

4.2感知层功能设计

控制器PLC是完成检测装置的控制工作，并不涉及控制逻辑，但要负责产生控制时序。PLC程序的控制是根据内部的M寄存器来进行的，而M寄存器是由上位机监控触摸屏MCGS来控制的。MCGS通过S7-200的驱动程序直接通过串口来控制PLC中的M寄存器，其策略类似于子程序。启动策略在启动时执行一次；循环策略反复定时执行，可根据一些条件决定是否执行，可以有多个，相当于有多个定时器事件代码；其他策略由菜单或按钮执行。

启动策略中，从设置文件中读取PLCVB10及PLC M01，将PLC M00设为1、PLC T40设为0。在循环策略的通讯状态中，根据PLC COM口状态判断是否通讯。在循环策略的系统初始化中，根据定时器的值，设置各变量初值，并显示初始化进程信息。PLC软件控制流程图如图7所示。

图7PLC控制流程图

4.3MCGS软件控制系统策略设计

主显示窗口相关的策略有“发控指令”、“按设定时间自动测试”、“主显示窗口循环复位”等循环策略。

(1) 发控指令是无条件运行，包括如下3个子程序：①远程时间测量。如果允许Dest_contrl_int，并且在线测试窗口没有打开，则PLCM202=1，打开在线测试窗口。②远程时间校准。③远程时间读取

(2) 按设定时间自动测试。当表达式“系统初始化保护”=0时执行，这个表达式在主循环策略中根据T41定时器的值来决定是否处于系统初始化过程中来设置。其主体是测试各定时变量如H00、H01等与当前时间比较，如果时间到，并且PLC M202=0，即没有开始测试，如果PLC M202=1，则打开在线测试窗口。

(3) 主显示窗口循环复位。当主显示窗口打开后执行，初始时PLC M202=1且KM=1，打开在线测试窗口，再使KM=0。MCGS 监控界面如图8所示。

图8MCGS主显示窗口

4.44G-DTU通信设计

4G点对点通信是实现监测中心与远程监控中心数据信息交互的渠道，如图9所示。4G-DTU上电后自启动，首先对本身的一些参数进行初始化，包括服务端的IP地址、端口号、SIM卡等相关参数，然后与服务器进行主动握手，握手的方式是通过发送AT指令进行[18]：首先，DTU会发送指令等待服务器响应，服务器响应之后，会发送指令返回给DTU，随后DTU模块会把将要建立连接的IP地址、端口号与服务端进行匹配认可，完成后就可以与服务端建立握手连接，这样数据信息就可以通过4G网络进行点对点的网络通信[18-19]。

图94G-DTU通信流程图

5系统的实现

目前市场上小型快速检测装置溶液预处理时间在2～3小时，而且对试剂配比的操作流程要求非常严格，否则对检测结果影响很大。本文设计的水质自动监测统可对过滤后的样品直接检测，该系统能自动完成溶液、检测试剂的调配和消解等预处理工作。该检测装置自动完成试剂的调配，稳定性高，预处理时间短，单次测量周期小于30分钟。本文主要对氨氮参数进行测试，系统监测流程为：首先通过水质检测装置采集数据信息，采用MCGS工控机对数据信息进行显示和存储，其次将采集到的水质信息通过4G网络发送到监控中心，用户在远程监控端通过上位机软件可查询相关水质信息[19]。

5.1检测步骤

根据生成物含量与光波吸收量的关系，分两个步骤对监测仪进行操作：

(1) 检测装置的标定

使用零点和标准量程校正液两点法进行标定。依据监测的数据，检测仪将自动求解出标准曲线的斜率、截距和校正参数，并将测量的数据保存，以备实际测定时使用。检测仪标定按量程分别进行标定，包括空白标定和不同浓度标准溶液的标定。

(2) 水样参数浓度的测定

检测仪根据水样中测量参数的含量自动调整量程，单次测量时间会随着水样中氨氮浓度的升高而延长，检测仪可实现对0 mg/L～300 mg/L等不同量程的样品进行测定。目前市场上快速检测仪检测范围多为0 mg/L～10 mg/L、0 mg/L～20 mg/L、0 mg/L～50 mg/L，显然本文设计的系统具有更宽的监测范围。检测仪依据水样的吸光度和朗伯比尔定律，自动计算出水样参数的浓度。

5.2检测数据上位机显示

检测到的水质数据信息首先显示在现场监控界面上，同时数据信息通过4G-DTU模块被传输到监控中心，监控中心通过上位机监控软件可同步显示监测到的水质数据信息。上位机监控界面如图10所示，上位机监控可实时记录监测到的水质数据信息及监测系统的工作状态。对于同一批次的水质样品进行测试，对比某专业水质检测科技公司产品的测试结果，如图11所示，本文系统检测的参数值具有可靠的检测精度，实现了系统设计测量参数的误差在±10%的目标。

图11对比测试结果

图10上位机监控界面

6结束语

水质自动监测系统采用模块化设计，主要分为控制器模块、检测模块、显示模块、远程监控模块，简化了硬件电路的设计，系统方便维护与升级，提高了系统的稳定性。结构设计新颖、便携，用蠕动泵替换市场上用注射器对样品和试剂的抽取，确保了检测装置的精度完美。

智能化监测模式可根据水样实际情况自动切换量程，能快速地检测出水质参数，系统采用移动4G通信技术实现对江河流域各个入水口检测点的远程监控，系统扩展后可对地表水体中总磷、COD等水质参数进行测量，该设计方式对江河流域水质监测实现网络化监测具有较好的应用价值。