水污染动态实时监测仪

2021-03-11 03:34雒珊雒卫廷
电子技术与软件工程 2021年21期
关键词:监测仪氨氮水质

雒珊 雒卫廷

(吕梁学院物理系 山西省吕梁市 033000)

1 引言

众所周知,水是万物生存之本,与我们的生活息息相关。水资源也是人类赖以生存和发展的重要资源之一,其对维护生态系统和生物多样性、促进经济社会可持续发展有重要意义。在时代的不断演变下,我国的社会经济、科技,各行业的发展得到了不提升。但是随之而来的却是日趋严重的水污染问题:各种的排放物增多,各类污染物严重超标,导致全国水资源严重匮乏、污染逐渐严重。针对水资源问题的调研及相关保护措施的实施刻不容缓。在此背景下,水污染动态实时监测仪应运而生。本项目以离子选择性传感器监测技术为基础,融合电化学溶出伏安监测技术,光寻址电位传感器监测技术和计算机快速监测技术等多学科知识,采用多种传感器相结合,能够做到快速测得各既定污染物含量,并实时传送回监测平台。针对不同区域的不同污染情况,可设计不同种类污染物的监测设备,适用于不同污染区域,具有多节点、应用灵活的优点,有较好的实用性,能够实现对河湖水质的有效分析与综合评价。

本项目水污染动态实时监测仪,对传统的现场人工采样实验室分析法和岸站固定监测柜监测法进行综合以及升级,克服了监测数据单一、监测设备体积庞大、不便于携带和运输、成本及维护费用昂贵以及不能实时在线的监测等缺点,并创新实现了实时数据采集与显示、历史曲线查询、远程无线传输等功能。具体为多种传感器相结合,快速测得各既定污染物含量,实时传送回监测平台。同时监测平台还具有超阈值提醒报警功能,现已拓展到手机APP 中方便工作人员携带和监测。

2 水污染动态实时监测仪总体框架

本设计分为V3S 控制及处理单元、水质监测传感器采集单元、GPRS 通信单元、LCD 液晶屏显示单元、物联网云端显示单元五个单元组成。系统设计原理图如图1所示。

图1:系统设计原理图

水污染动态实时监测仪设计原理:将水质监测传感器放到所需检测的水体中,监测水体中的温度(℃),PH,氨氮(ppm),溶解氧(mg/L)等水质参数,所监测到的信号传回V3S 中进行处理,得到的水质情况通过LCD 液晶屏显示,同时水质情况也将通过GPRS 远程无线传输到手机APP中,两处水质情况按设定的监测频率实时更新,在线显示。

3 硬件综合处理

本项目硬件部分包括V3S 控制及处理单元、水质监测传感器采集单元、GPRS 通信单元和LCD 液晶屏显示单元,具有功耗小、便于携带、操作简单、人机交互性好等特点。

3.1 V3S控制及处理单元

水污染动态实时监测仪采用V3S 作为控制及处理单元,CPUARM Cortex-A7 架构,集成HawkView ISP,最大支持5M 处理,支持1080P@60fps H.264 编码及1080P MJEPG 转1080P H.264 重编码,内置64M DRAM,低功耗、低发热。如图2所示。

图2:V3S 控制及处理单元

3.2 水质监测传感器采集单元

(1)PH 值传感器:高智能化在线连续监测仪,由传感器和二次表两部分组成。可配三复合或两复合电极,以满足各种使用场所。配上纯水和超纯水电极,可适用于电导率小于3μs/cm 的水质的PH值测量。

(2)ISDC20-L05 溶解氧智慧传感器:能够准确测量氧气在水中的溶解,温度测量范围为-25.0℃~130.0℃,量程为0~20mg/L,分辨率为0.01mg/L,能够实时采集水中溶解氧的数据并输出RS485信号连接到PLCDCS、工业控制计算机、通用控制器、无纸记录仪器或触摸屏等第三方设备展示。

(3)RMD-ISNH4 氨氮/铵离子传感器: 氨氮分析仪测定水中的氨氮(NH4+-N)的浓度,传感器使用三个电极来确NH4+-N,浓度,铵离子电极,钾离子。电极和pH 电极,典型的应用包括监测环境水、湖泊、溪流和水井以及在曝气池和废水中的污染物。水质监测传感器采集单元如图3所示。

图3:水质监测传感器采集单元

3.3 GPRS通信单元

GPRS 通信单元如图4所示。GPRS 通信模块是采用高性能工业级无线模块及嵌入式处理器,以实时操作系统作为软件支撑平台,内嵌自主知识产权的TCP/IP 协议,为用户提供高速,稳定可靠,永远在线的透明数据传输通道。通信功能:支持GPRS 和短消息双通道传输数据;支持与多中心进行数据通信。采集功能:采集串口设备数据,如串口仪表、采集器、PLC 等。远程管理功能:支持远程参数设置、程序升级。

图4:GPRS 通信单元

3.4 LCD液晶屏显示单元

水质多参数在线监测二次仪表用以指示、记录或积算来自一次仪表的测量结果。二次仪表安装在离工艺管线或设备较远的控制屏上的仪表。用以指示、记录或积算来自一次仪表的测量结果。通常以电源为动力,有模拟或数字两种指示形式。指示清晰,精度较高。如图5所示。

图5:LCD 液晶屏显示单元

功能:

(1)设定点偏差:模拟处理的数显仪表≤±2d;

(2)设定误差:刻度盘或拨码设置的仪表≤±1%F.S; ≤±1.5%F.S 可选;

(3)可设置范围:数字处理式仪表≥1 ~100%F.S;

(4)回差:数字处理的仪表0.2 ~20 间可调;

(5)周期时间:数字处理式仪表等周期时 25s±5s。

4 系统软件综合设计

水污染动态实时监测仪采用的核心控制器件为V3S 控制及处理单元,它主要实现的功能是监测上传到单片机的数据,判断是否超出预先设定的数值,并将数据通过显示模块显示,且当它的数值大于设定值时,发出蜂鸣响声提醒等。主要硬件包括有V3S、LCD1602、HC-05 蓝牙串口、BHT-D 型PH 值传感器。软件编程使用的软件为Keil uVision5 软件,编程语言用的是C 语言。

4.1 主程序设计

软件主要包括:主程序、获取PH 值子程序、设置串口通信子程序等。将程序烧入单片机后,上电、PH 探头放入溶液、显示屏显示数据、手机软件接收相应数据、蜂鸣器是否报警,并在判断报警后返回初始化值,从而达到循环,实时监测水源问题。

4.2 串口定义子程序设计

这一子程序的设计主要是为了定义串口的功能,例如接收缓存的指针、位置,发送缓存的指针、计数,以及判定是否发送完成,发送的数据长度,以及串口发送的命令。

4.3 存储器子程序设计

在存储器子程序中,主要定义了存储的起始地址、写入指定长度的数据在指定地址、在指定地址读取指定长度的数据、以及V3S的FLASH 的起始地址。

4.4 蜂鸣器报警子程序设计

这一子程序中,主要定义了蜂鸣器的报警条件,当采集信号大于警告信号时,蜂鸣器报警,在最后一行输出显示采集到的信号值和警告信号值。

4.5 LCD显示器子程序设计

在这一子程序中,主要定义显示器的各个引脚的作用及功能,例如指令/数据选择引脚、读写引脚、使能引脚、8 位/4 位数据操作端口,以及清屏和返回原点等命令。

5 系统测试

5.1 实物测试过程

(1)使用万用表等检测工具进行电路检查,看看每个元器件的两端是否有短路的情况,观察电路中的各个焊接点是否有虚焊情况;

(2)在经过仔细的检查每一个可能出现问题的地方后,上电观察各个模块是否能够正常启动;

(3)将写好的程序烧入单片机,系统开始工作。实物测试如图6所示。

图6:实物测试

5.2 通信模块及显示屏测试

在程序烧入成功后,开始根据功能划分模块依次测试其是否成功实现,现在测试的是显示模块,显示模块分为两种显示方式,一用LCD 显示屏显示检测到的数值及报警值,二通过通信模块与手机连接将每回测试到的数值上传至手机,利用APP 显示并记录。

在上电后,可以看到数值已经开始显示并传输,原因是传感器内带有一种少量的保护液体,它也有着数值,现在显示的值就是地表水的测量值,可以看到当数值上升到5.12 后就不在大范围的变动,这时观察手机和显示器可以看到显示为同一数值,所以显示模块功能成功实现。图7为显示模块的图像。

图7:通信模块及显示屏测试

5.3 测试结果及数据

在显示模块成功后,为了测试监测模块的准确性,以PH值为例,准备了几种PH 值不同的液体,首先,设备接通移动电源,开机为系统供电,显示屏亮起一切正常,传感器工作正常,将DTU 与手机成功连接,移动端开始显示数值,准备的三种测试液体PH 值分别为PH4.00、PH6.86、PH9.18。表1为测试数据。

表1:测试数据列表

本次实验精度为±5%FS,PH 值量程:0-14,可允许误差:

±5%*14=±0.70。

由数据表,可以看出,此次系统测试的误差略大,在中性溶液中测量值低于实际值,约0.6,碱性溶液中测量值比实际值略低,但总体数据在误差可控范围之内。经过仔细检查,认为数据偏差略大的原因有以下几点:由于盛放液体的容器密封性能不好,几个液体之间可能互相有中和问题存在;在感应探头放入下一个溶液中时,上一个液体残留在探头上,导致数据不准确。以上问题是因为实验过程不严谨而引起的。

在这次试验中,也可以发现,系统的功能确实是成功实现了,移动端与显示屏的数据一致,但在数据传输中由于数据更新次数较为频繁,在偶然情况下会导致移动端数据出现极其微小误差。

5.4 不同水源的测试结果及数据

为了测试设备在户外工作时是否能够准确测试,在吕梁市三处不同的水文监测点进行检测,分别为马坊、横泉水库和裴家川口,这三处水的PH 值,氨氮,溶解氧在检测前已将相应的PH 值,氨氮,溶解氧记录进表2,将检测中的数值同样记录表2,方便进行对比。

表2:PH 值数据列表

表2、表3和表4是三组不同地域不同项目的数据对比列表,在水文站数据与检测数据对比中可知:官方给定的数据与检测数据存在一定误差,例如:马坊地区所测得的PH 值比水文站在同一地区所测得的数据较大,误差约为0.3;在裴家川口所测得的溶解氧数据相比于水文站提供数据略微偏小,误差约为0.2;但对比所有数据可得,所测数据均在误差允许范围之内。

表3:氨氮数据列表

表4:溶解氧数据列表

分析以上误差存在的原因:初步可得,误差可能是检测地点并不是与水文站检测地点完全吻合;同时,考虑到检测时间、温度、外界环境等都会对数据造成一定影响,从而导致数据存在一定误差。

以上就是对本产品部分功能的技术介绍与各方面的调试,由于篇幅限制,且产品正处于初级研发阶段,此文只以PH,氨氮,溶解氧为例,后续,我们会对产品进行进一步的研发。

6 结束语

水质监测的重要内容是地表水监测,地表水监测工作与饮水安全、水资源保护、水污染防治等息息相关,因此掌握地表水污染的实时监测技术,做好地表水污染监测工作至关重要,落实地表水污染实时检测技术提高人们用水的安全性,具有重要的现实意义。

水质自动监测系统的建立,改变了原有的水质监测模式,实现了水质的实时监测和远程监控,解决跨区域记录的水质检测情况,通过新型的水质自动化监测手段可采集高频次、可靠的水环境数据,能够及时掌握重点断面的实时水质状况,可预警预报水质状况、提高了决策和管理的效率,减少了进行人工测量的频次,大大提高水环境监测管理的时效性、可靠性,当发生水体污染事件时,能够及时预警,掌握污染水体的影响范围及发展趋势,减少或避免对居民生活和工农业生产造成巨大损失,同时通过掌握水质状况实现科学调度,处理好需求供水和取水的关系,能更好地实现区域水资源合理分配和调度管理工作,实现供水经济效益最大化,为管理部门提供决策依据,便于环保部门对综合自然环境进行集中整治。

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