基于LabVIEW的地下水污染物迁移监测系统设计

文｜张艳杰 康智慧 谭景辉

一、引言

水资源在地球上是十分宝贵的财富，在生活和工农业生产中都是必不可少的。针对于地下水的监测方面，目前我国采用最多的还是人工测量的方式或者利用从国外购置引入的专用监测仪器和自动化监测系统，采取现场的水样，保存并送到实验室进行专业的测试分析。这些监测工作基本都是对水位或水质进行的单项监测，因此，研究地下水污染物自动化监测系统具有实际意义。在地下水的自动化监测方面，地下水情况的参考数据一般都是水位、浊度、溶氧量等参数。虚拟仪器（以下称LabVIEW），能够实时进行数据处理，快速高效。因此，本文设计了基于LabVIEW的地下水污染物迁移监测系统，通过对多个相同监测系统的多个地点的数据进行采集和处理，实现对地下水的污染物离子浓度监测和数据传输等功能。

二、虚拟仪器

LabVIEW可以同时测量多个参数，效率很高。可以根据实际需求进行随机改变，更新周期缩短，时效性强。采用LabVIEW则不用采用更多的硬件设备，节约成本。可见基于LabVIEW的地下水污染物迁移自动化监测系统不仅仅能够实时监测到地下水中离子浓度的情况，而且也弥补了以单片机等硬件设计研发监测设备的不足之处，而且检测系统成本低，操作十分简单。

三、基于LabVIEW的地下水污染物迁移监测系统设计

（一）系统总体流程设计

监控系统要实现对地下水污染物的迁移监测，要进行数据采集和数据分析处理，并且同时实现对数据的显示、打印、存储、查询等操作处理功能。因此设计主要包括硬件部分设计和软件部分设计。硬件部分有传感器、信号调理电路和数据采集卡，软件部分则是数据采集和处理的编程设计（见图1）。

图1 总体设计流程图

（二）硬件部分设计

根据监测系统要实现的功能，硬件部分主要包括三部分：传感器、信号调理电路和数据采集卡。功能主要是实现测量的数据信号的采集、放大和传送到电脑。因此硬件设计的主要任务就是完成传感器选型、放大电路设计以及数据采集卡选型。

传感器的功能主要是采集地下水中影响水质的污染物的离子浓度并且能够将采集到的数据转换为可以传输到数据采集卡的电压信号，而且选择传感器时还要考虑到实用性、成本、测量范围、响应速度、精确度等因素。离子选择性电极是一种不需要复杂仪器就可以对待测液体进行无破坏性分析的简易工具，各种形式存在的离子都可以用它检测分析，几微升的待测样品都可以进行测量，所以十分适合用于野外的自动监测和分析。因此决定选择实用性较高的离子选择性电极。

通过传感器采集得到离子浓度数据，还需要根据实现的功能需求进行特殊处理。信号调理电路主要就是进行相应的数据处理工作。由于不同类型的传感器具有不同的功能，除了考虑到一些常见的特性，还需要根据不同传感器的性质和要求来实现其特殊的信号调节功能。传感器通常输出一个小信号，必须使用适当的信号调节电路，以减少量化误差。将电路的输出电压传输到数据采集卡，转换为数字信号，然后输入到电脑端。

根据放大器电路的要求，通过对通用型运算放大器LM324和OP07运算放大器进行仿真对比，仿真结果显示LM324的放大倍数有一定的误差，对信号的真实程度影响较大，而OP07运算放大器基本没有误差，故选择OP07运算放大器作为本次设计的信号放大电路。

针对于需要实现的功能要求，查询相关资料后拟采用研华系列板卡。最后选择PCI1711U作为数据采集传输的硬件，它主要由PCI1711 DAS卡、驱动光盘（含有驱动软件）、接线电缆和接线板这几部分组成。

（三）软件部分设计

软件设计部分是利用LabVIEW进行编程实现，根据设计要求实现数据的输入、处理等操作。根据设计任务要求需达到功能，软件设计系统的显示界面设计如图2所示，限于篇幅原因，部分程序框图如图3所示。

图2 显示界面设计图

图3 部分程序框图

离子浓度数据经过传感器测量，放大电路处理后通过数据采集卡输入端传输到PC机，然后电脑利用LabVIEW中已经安装好的研华板卡的工具包对板卡进行打开、配置、选择通道来采集数据。由于采集到的数据信号经过了放大电路的放大处理，以及离子选择电极的电势差，因此需要求出原来的电势差，再根据离子浓度符合能斯特公式设计算法，计算出离子浓度，如图4所示。

图4 公式算法图例

LabVIEW中有很多函数都可用于实现保存输入的数据的功能。参考数据的大小和数据的保存方式，可以根据用户的需求选择对应的数据保存函数来存储数据，这些函数能够把数据存储成不同的格式，设计的数据存储采用二进制测量文件保存方式。

本次设计采用了LabVIEW自带的打印报表VI，结合了事件结构，当用户根据自己需求选择打印哪一条通道数据时，按下对应的按钮，就会触发事件，然后即可进行打印操作。

如果需要查看以前的数据进行对比时，可以执行此操作，把历史数据显示出来进行对比。基于需求采用事件结构实现按钮触发事件，当按钮值改变，触发事件结构和条件结构，进入for循环，再根据设置的读取个数把数据从存储的文件中读取出来。

当数据量较大的时候，想要只观察后来采集的数据，此时可以执行此操作，把前面数据显示部分清除。此部分设计根据按钮的值改变触发事件结构对应的分支，根据对应按钮的属性节点进入条件结构，进而初始化波形图表。当查询历史数据后，若需要把显示的数据清除可以点击按钮进行此操作，设计跟清除数据部分基本相同。

四、仿真验证分析

以某段水域的数据为例，验证该模型的有效性。基于LabVIEW的地下水污染物迁移自动监测系统的显示波形图如图5所示。

五、结语

图5为当前条件下的该水域中离子数据趋势图。我们在该水域上游、中间、下游放置传感器，并将其与PC端的通道2、通道0、通道1 对应。根据实际情况，传感器探测得到某处的离子浓度先下降随后稳定在一个数值处，并且结果中离子浓度的上限值警示灯亮起，说明该水域存在污染，并且污染物的浓度超过警示上限。在其他位置放置的传感器检测水域中该离子浓度的变化。在下游检测到该水域的离子浓度呈现上升趋势，并且幅值变化较快，与PC端通道1中显示结果一致。在上游检测到该水域的离子浓度也呈现较小幅度的攀升，但是未超过警示上限值。仿真结果显示污染物的移动趋势往下游方向移动，与实际结果基本一致。

图5 波形显示图

地下水的监测工作就是为了保障我国的可用水资源的可持续发展。本次设计利用多传感器实现对数据的采集、并利用LabVIEW进行数据的分析处理，根据传感器传输数据与监测系统在不同通道显示的数据进行对比分析实现对地下水污染物迁移的自动监测。