在我國,，水污染已經成為嚴重的環(huán)境問題。現有水質監(jiān)測系統(tǒng)的方法大多分為兩類：(1)采用人工操作的方法,，其監(jiān)測系統(tǒng)龐大,，完成測試過程所用時間比較長。(2)現場進行測試的方法,，其對水質測試的參數比較單一,，不能實時傳輸測試數據[1]?；谶@兩類方法的監(jiān)測系統(tǒng),，所得數據代表性差,無法及時反映水污染的變化情況,已經滿足不了現代環(huán)境監(jiān)測和保護的要求。因此,，研制能夠對水質進行自動采樣,、多參數監(jiān)測﹑自動化分析以及對監(jiān)測數據無線傳輸的水質監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。
    近年來,，嵌入式技術得到了廣泛關注并獲得了飛速發(fā)展,，其應用范圍越來越廣。基于該技術的設備具有體積小,、成本低和性能穩(wěn)定等顯著優(yōu)點[2],。而GPRS技術是為無線數據傳輸服務量身定做的，該技術具有實時性強,、設備成本低,、維護費用低、價格便宜,、適合不定期和長時間的數據傳輸等諸多優(yōu)點[3],。
    本文提出了一種基于嵌入式技術和GPRS技術的多參數微小型水質監(jiān)測系統(tǒng)的設計方法。介紹了該監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測原理,，給出了系統(tǒng)的總體方案,，分析了系統(tǒng)的總體結構以及功能，設計了系統(tǒng)的控制硬件和軟件,。
1 系統(tǒng)測量原理
    該系統(tǒng)水質參數的測量原理是以朗伯—比爾定律為理論基礎的,，其表達式為：
 
其中，A為介質的吸光度,，I為入射光的強度,，I′為光通過介質吸收后的透射光強，C為介質的摩爾濃度,，l為光程長,，ε為介質的摩爾吸收系數。在測量中,，采用已知P物質的標準溶液和未知P物質的被測溶液比較特定波長吸收程度的方法,，來獲得P物質在被測溶液中的濃度。為了扣除蒸餾水在該特定波長處的吸光度值,，選用蒸餾水為參比溶液,。首先用儀器對P物質的N個不同濃度的標準溶液進行測量，得到吸光度值Ai（i=1,2,3…N）,。以P物質的濃度Ci為橫坐標,、吸光度值Ai為縱坐標,，利用最小二乘法便可得出P物質的標定曲線,，其表達式為：
    A=bC+k                                 (2)
其中：A為P物質的吸光度，C為P物質摩爾濃度,。由于光譜儀精度因素,，實際計算出的標定曲線是一條不過原點的直線。當測量P物質在被測溶液中的未知濃度時,，只需測出不含P物質時的杯空白吸光度A空白和含有P物質溶液的吸光度AP,，即可將（AP-A空白）代入式(2)，得出被測溶液中P物質的濃度。
2 水質監(jiān)測系統(tǒng)總體結構
    圖1為多參數微小型水質監(jiān)測系統(tǒng)的原理框圖,，分為單片機測量控制系統(tǒng)和ARM硬件控制系統(tǒng),。嵌入式ARM系統(tǒng)主要實現整體控制，通過對觸摸屏菜單的操作,，對單片機測量系統(tǒng)發(fā)出控制命令,，可以實現對水中的鉻、鉛,、A表面活性劑,、化學耗氧量（COD）、氨氮,、總磷和揮發(fā)酚的標定,，單步測量和依次測量。然后嵌入式ARM系統(tǒng)通過微型光譜儀對光譜數據采集,，經過數據處理,，完成對水中各個參數含量的測試。而經過測試之后,，可以通過GPRS網絡,，實時地將測量數據傳輸到遠端管理人員的PC機上，從而實現對庫區(qū)和大江大河環(huán)境水質狀況的實時監(jiān)測,。

2.1 單片機測量控制系統(tǒng)
    單片機控制系統(tǒng)主要由單片機處理器及鎢絲燈光源﹑透鏡﹑光纖探頭,、樣品水池﹑清洗攪拌機構﹑直線導軌機構﹑蠕動泵陣列﹑反應測試室陣列﹑電磁閥陣列和控制電路等組成。光源,、鏡頭,、光探頭、清洗攪拌針,、注入清水及試樣的管頭等組裝在直線導軌的移動滑塊上,。檢測時，單片機首先控制直線導軌上的移動滑塊至第一個反應測試室,，控制蠕動泵抽取清水至測試室,，然后控制清洗攪拌機構，使用攪拌針攪拌,，待攪拌完成,，打開相應電磁閥，排除清水,；接著利用蠕動泵分別抽取適量的樣品溶液和試劑溶液,，使用攪拌針充分攪拌，待反應充分,；最后,，單片機控制點亮光源，由鎢絲燈產生的可見光經過透鏡聚光后穿過測試室，由微型光譜儀探測頭把透射光導入光譜儀,，記錄光譜數據,，然后將光譜數據傳入ARM系統(tǒng)，進行水質參數濃度的分析,。此時第一個參數測試完畢,，按照上述步驟可完成水樣中7種參數含量的測試。
    由于水質中各個參數的吸收光波長不同,，光譜的大致范圍在400 nm～700 nm之間,，因此，本系統(tǒng)中選擇了體積小﹑壽命長﹑價格低的12 V 25 W的溴鎢燈作為光源,。
2.2 ARM硬件控制系統(tǒng)
    ARM硬件控制系統(tǒng)的任務主要包括：光譜數據的接收與分析處理,、控制單片機系統(tǒng)、測量數據發(fā)射,、人機對話等,，其結構框圖如圖2所示。水質參數開始檢測后,，首先通過LCD觸摸屏對該系統(tǒng)的各個參數進行設定,，ARM系統(tǒng)與單片機系統(tǒng)通信，通知單片機系統(tǒng)的各個模塊準備測試,。然后ARM系統(tǒng)向單片機系統(tǒng)發(fā)送測試第一個參數的命令,，單片機系統(tǒng)按照制定好的步驟，完成試劑和樣品溶液的充分反應,，然后打開光源,。這時，光譜儀的光線探頭定位在第一個反應測試室的透射光孔處,，透射光進入光譜儀的光纖探頭,，經過光纖傳輸，光譜儀開始采集數據,，待采集完成后,，通過光譜儀與ARM系統(tǒng)的連接并口傳入ARM處理器S3C2440A中，然后ARM處理器對采集的數據進行處理,，并存儲處理結果以及在LCD觸摸屏上顯示該參數的吸光度曲線,。待這些完成之后，ARM系統(tǒng)發(fā)送命令,，通知單片機系統(tǒng)開始測試第二個參數,，直至7個參數全部測試完畢為止,。由于GPRS模塊通過串口與S3C2440A相連接,，ARM處理器通過串口發(fā)送AT指令對GPRS模塊操作。測試完成之后，ARM處理器對已存儲參數的濃度進行數據傳輸,，通過GPRS網絡將數據傳輸到遠端的PC機端,。

    本系統(tǒng)采用三星公司生產的ARM9芯片S3C2440A作為處理器，它是一款低功耗的32位處理器,。系統(tǒng)選用的光譜儀為重慶大學微系統(tǒng)研究中心自主研發(fā)的微型光譜儀,，光譜范圍330 nm～780 nm，光譜帶寬≤2 nm,，波長準確性+0.9,，分辨率≤2 nm，符合系統(tǒng)的要求,。GPRS模塊采用西門子公司生產的MC35I,，該模塊支持GPRS Class 8級以及短信功能。
3 系統(tǒng)的軟件設計和數據處理
    多參數微小型水質監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計由參數標定部分,、參數吸光度值采集和處理,、GPRS無線傳輸和控制部分組成。
3.1 參數標定及吸光度值采集和處理的設計
    參數的標定是基于朗-伯比爾定律和儀器的系統(tǒng)誤差考慮的,。在每次測量之前要進行參數的標定,，首先是設置光譜儀的參數即積分時間和參考電壓，接著ARM系統(tǒng)向單片機系統(tǒng)發(fā)送命令,，單片機系統(tǒng)控制各個機構,。測試第一個參數，ARM系統(tǒng)控制光譜儀從中讀取該參數的吸光度值,，并存儲在FLASH中,，直至第七個參數測試完畢。此時,，處理器根據存儲的數據作出7條標定曲線,，并顯示在LCD上。在采集被測溶液的參數吸光度值時,，步驟和參數標定基本相同,，只是在最后使用標定曲線計算出該參數的濃度值。參數標定及吸光度值采集和處理流程如圖3所示,。

    系統(tǒng)測試時可能會存在隨機誤差,，由誤差理論可知，當測量次數無限增大時,，隨機誤差趨向于零,，測量的算術平均值趨向于真值。但當n>10以后,，算術平均值的標準差變化緩慢,，因此,，測試10次數據比較適中[4]。從圖3的流程圖中可以看出,，系統(tǒng)標定和測試都是10次測量,，所以本系統(tǒng)已從軟件設計考慮，減少了系統(tǒng)的隨機誤差,。
3.2 GPRS無線傳輸和控制設計
    GPRS無線傳輸和控制的實現是通過GPRS的收發(fā)短信實現的,。在使用GPRS網絡傳輸時，首先利用PPP撥號,，使GPRS模塊和GPRS網絡的網關支持節(jié)點GGSN建立一條邏輯通路,，從而實現與Internet的無線連接，連接完成之后就可以實現短信的收發(fā)[5,、6],。本系統(tǒng)設置了一些可以供遠程管理員進行遠程控制的指令，在短信接收階段,，ARM系統(tǒng)通過判斷接收的短信內容是回復內容還是遠程控制,。如果回復內容是1，則說明PC機端已經收到發(fā)送的數據,；如果回復內容是3,，則說明PC機端沒有收到發(fā)送的數據，繼續(xù)重發(fā),；如果回復內容是2,，則說明PC機端向ARM系統(tǒng)發(fā)送命令，這樣就可以使測試人員不在現場時也能進行實時測試,。圖4為GPRS短信收發(fā)流程圖,。

    在以上設計基礎上，對樣機的各個模塊進行了加工,、裝配和聯(lián)合調試,，并且用觸摸屏控制各個系統(tǒng)進行了綜合調試。測試結果顯示,，各個機構的控制精度很高且工作速度也符合設計要求,。光譜儀采集數據和GPRS模塊遠程傳輸控制正常，系統(tǒng)運行狀態(tài)較好,，整機工作穩(wěn)定,。
　　多參數微小型水質監(jiān)測系統(tǒng)采用了嵌入式技術和 GPRS技術進行設計開發(fā)，有效實現了對環(huán)境水樣中的鉻,、鉛,、A表面活性劑、化學耗氧量（COD）,、氨氮,、總磷和揮發(fā)酚的實時檢測與遠程監(jiān)測,，與目前國內外同類水質監(jiān)測系統(tǒng)相比具有體積小、可靠性高,、效率高、成本低,、功耗低,、實時監(jiān)控等特點。不僅保證了監(jiān)控人員能夠及時準確地收到多參數微型水質監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的水質數據,，而且保證了多參數微型水質監(jiān)測系統(tǒng)也能夠及時收到監(jiān)控人員的反饋信息,，使用者和監(jiān)控中心能做到實時通信，從而實現了真正的實時監(jiān)測,，具有良好的應用前景,。
參考文獻
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