基于嵌入式的地表水化學(xué)需氧量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

【摘要】當(dāng)今時(shí)代經(jīng)濟(jì)在不斷的發(fā)展，社會(huì)在不斷的進(jìn)步，人們的生活水平也在穩(wěn)步提升，但是其中一些隱性環(huán)節(jié)中也表現(xiàn)出一些較大的問(wèn)題不容忽視，其中對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钣绊戄^大的就是水資源短缺和水資源污染日益嚴(yán)重的情況，所以基于此怎樣才能建立一個(gè)高校的完善的地表水監(jiān)控系統(tǒng)在當(dāng)前來(lái)說(shuō)是一個(gè)尤為重要的話(huà)題。本研究將主要就嵌入式地表水化學(xué)需氧量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析，希望所得結(jié)果能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域提供有價(jià)值的參考。

【關(guān)鍵詞】嵌入式；地表水；化學(xué)需氧量

引言

化學(xué)需氧量（COD）是在一定的條件下采用強(qiáng)氧化劑對(duì)水資源進(jìn)行處理所消耗的氧化劑所折合成癢的量，對(duì)于水質(zhì)有機(jī)污染來(lái)說(shuō)是檢驗(yàn)的綜合指標(biāo)，同時(shí)也是進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要參數(shù)。在我國(guó)對(duì)環(huán)境水質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用重絡(luò)酸鉀法檢測(cè)所得的數(shù)值作為化學(xué)需氧量。但是傳統(tǒng)的操作方法相對(duì)來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，而且需要很長(zhǎng)時(shí)間的分析，其能源的消耗量十分巨大，所以探索一種簡(jiǎn)便快速的分析方法便顯得尤為重要。

1.基于嵌入式地表水化學(xué)需氧量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能

化學(xué)需氧量是對(duì)水中還原性物質(zhì)含量進(jìn)行標(biāo)示的一個(gè)指標(biāo)，化學(xué)需氧量能夠?qū)λ羞€原物質(zhì)的污染程度進(jìn)行反應(yīng)，這些物質(zhì)主要涉及到有機(jī)物、亞鐵鹽、亞硝酸鹽、硫化物等等，而且其地表水當(dāng)中的主要污染物是有機(jī)物，所以化學(xué)需氧量能夠當(dāng)做是有機(jī)物質(zhì)相對(duì)含量的一項(xiàng)綜合性指標(biāo)[1]。針對(duì)于此，我國(guó)制定了對(duì)地表水化學(xué)需氧量檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且根據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)，按照功能的高低將其以此劃分為五大類(lèi)：①對(duì)國(guó)家自然保護(hù)區(qū)、源頭水進(jìn)行檢測(cè)；②對(duì)集中式生活飲用水地表水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)、水產(chǎn)品類(lèi)市場(chǎng)、珍稀水生物種生存場(chǎng)所等進(jìn)行檢驗(yàn)；③對(duì)集中式生活飲用水地表水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)進(jìn)行檢驗(yàn)；④對(duì)工業(yè)用水區(qū)和人體非直接接觸的娛樂(lè)用水區(qū)進(jìn)行檢驗(yàn)；⑤對(duì)農(nóng)業(yè)用水區(qū)和一般景點(diǎn)水域進(jìn)行檢驗(yàn)。

采用化學(xué)需氧量檢測(cè)，在試樣當(dāng)中放入重絡(luò)酸鉀溶液，以強(qiáng)硫酸作為介質(zhì)，并采用硫酸銀進(jìn)行催化，經(jīng)過(guò)高溫消解，采用分光光度法對(duì)化學(xué)需氧量的數(shù)值進(jìn)行測(cè)定。待試樣當(dāng)中的化學(xué)需氧量數(shù)值為10mg/l～150mg/l的時(shí)候，設(shè)定波長(zhǎng)為400±20nm，并在其作用下對(duì)重絡(luò)酸鉀因?yàn)檫€原所生成的Cr3+的吸光度進(jìn)行測(cè)定[2]。在這個(gè)試樣當(dāng)中，三價(jià)鉻（Cr3+）的吸光度和化學(xué)需氧量的增加值為正比，這樣便需要將三價(jià)鉻的吸光度進(jìn)行換算，形成式樣的COD值。

而嵌入式的地表水化學(xué)需氧量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其主要功能是按照設(shè)定好的程度要求對(duì)化學(xué)需氧量值進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)的主要功能可以從四個(gè)方面說(shuō)起：①可以自動(dòng)進(jìn)行加液計(jì)量，實(shí)現(xiàn)化學(xué)需氧量值自行檢測(cè)的功能，該設(shè)備能夠?qū)⒋郎y(cè)水的水樣以及試劑一同自行添加到反應(yīng)池中進(jìn)行混合處理，混合均勻以后為混合液提供反應(yīng)所必須的恒溫環(huán)境，反應(yīng)結(jié)束后，最懂對(duì)化學(xué)需氧量的值進(jìn)行檢測(cè)；②該設(shè)備具備在線(xiàn)遠(yuǎn)程查詢(xún)功能和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，能夠利用系統(tǒng)的web服務(wù)器來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)工作；③該系統(tǒng)在化學(xué)需氧量超標(biāo)時(shí)可以自動(dòng)報(bào)警，當(dāng)期測(cè)定所得的化學(xué)需氧量的數(shù)值超過(guò)了設(shè)定的基準(zhǔn)值，那么其將會(huì)通過(guò)GSM短信信息模塊來(lái)發(fā)送報(bào)警信息給負(fù)責(zé)人，以便于對(duì)相關(guān)信息做出直接的掌握；④檢測(cè)設(shè)備對(duì)縣城環(huán)境的信息可以進(jìn)行有效的采集，主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制臺(tái)的攝像頭進(jìn)行觀(guān)測(cè)，能夠?qū)υO(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的信息作出及時(shí)了解。

2.基于嵌入式地表水化學(xué)需氧量在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

2.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的組成部分主要涉及到電源、外圍部件驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊、模擬信號(hào)采集模塊和S3C2410最小系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的要求，在S3C2410最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，生成2路PWM端子，對(duì)八位閥和蠕動(dòng)泵進(jìn)行分別控制，2路模擬量采集口分別對(duì)光電檢測(cè)器和溫度得輸入信號(hào)電壓值進(jìn)行檢測(cè)。而5路I/0端子則是對(duì)冷卻風(fēng)扇、高壓閥、潛水泵、固態(tài)繼電器和加熱絲等分別進(jìn)行控制，并將GPRS模塊和一個(gè)RS232串口連接起來(lái)，GPRS模塊的主要功能就是對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行發(fā)送。設(shè)置USB通信口，其主要負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)的內(nèi)核文件和系統(tǒng)文件進(jìn)行下載，鑒于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的需要，采用50M網(wǎng)絡(luò)接口將系統(tǒng)鏈接到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，系統(tǒng)因?yàn)樵O(shè)計(jì)需要，選擇Linux版本，對(duì)其內(nèi)核的源代碼進(jìn)行修改，并在其內(nèi)核當(dāng)中添加USB驅(qū)動(dòng)、RS232穿孔驅(qū)動(dòng)和50M網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)。在系統(tǒng)運(yùn)行化環(huán)境下，將各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程度進(jìn)行交叉編譯，之后插入到內(nèi)核當(dāng)中，其主程序通過(guò)內(nèi)核接口函數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)程度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程的控制。主要情況請(qǐng)參見(jiàn)圖1所示。

2.2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

首先是對(duì)信息發(fā)送模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，本研究所采用的系統(tǒng)是給予GPRS模塊的GSM/GPRS雙頻模塊，其主要給短信息、語(yǔ)音傳輸、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等提供無(wú)線(xiàn)接口服務(wù)。本研究所涉及到的模塊能夠提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口，用戶(hù)主要通過(guò)對(duì)串口的使用，采用AT指令來(lái)完成其對(duì)相關(guān)模塊的操作。GPRS模塊經(jīng)過(guò)串口線(xiàn)鏈接到S3C 2140串口，當(dāng)掛載完成以后其主要相當(dāng)于一個(gè)設(shè)備文件，主要通過(guò)系統(tǒng)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)操作。

其次是光電檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)。該模塊的檢測(cè)部件是一個(gè)發(fā)光二極管、光纖、光電池等，光電檢測(cè)工作可以在消解電池處進(jìn)行直接檢測(cè)，因此將光電檢測(cè)的系統(tǒng)疊加在消解系統(tǒng)上，等反應(yīng)液完全消解以后，便可以進(jìn)行直接的檢測(cè)。但是發(fā)光管的工作需要一定量的恒定電流，本研究所設(shè)定的系統(tǒng)電流為20Ma，這能夠使發(fā)光管的波峰達(dá)到410nm。對(duì)光電進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)槭艿綔囟群碗娫醇y波的影響，其更容易造成數(shù)據(jù)的失真，所以對(duì)此提出解決方案，可以采用高精密的電源或光纖來(lái)對(duì)因采集到的光電信進(jìn)行多級(jí)濾波處理。

還有一個(gè)是計(jì)量消解模塊。該系統(tǒng)的分光光度法主要是對(duì)在特定波長(zhǎng)處或者一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的被測(cè)物質(zhì)的光的吸收度進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而再對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行定量和定性分析。這樣單色光的輻射在穿越背側(cè)物質(zhì)的溶液之時(shí)，其物質(zhì)的吸收量和物質(zhì)的濃度與溶液層的厚度成正比。當(dāng)已知的某種物質(zhì)在一定條件下進(jìn)行系數(shù)吸收之后，便能夠采用相同的條件將該測(cè)試品配成溶液，對(duì)其吸收度進(jìn)行測(cè)定，最后計(jì)算出測(cè)試品當(dāng)中該物質(zhì)的含量，這對(duì)于相同物質(zhì)和相同波長(zhǎng)的單色光而言，溶液的吸光度與濃度為正比關(guān)系。基于此，快速消解分光光度法的檢測(cè)原理主要是給予八位切換閥、計(jì)量管和蠕動(dòng)泵等組成，而八位切換閥能夠?qū)Σ煌噭┻M(jìn)行添加，再通過(guò)蠕動(dòng)泵將試劑加入計(jì)量管內(nèi)，采用多液位光電傳感器進(jìn)行精確計(jì)量，將試劑推入消解罐內(nèi)。消解系統(tǒng)全封閉，這樣便可以進(jìn)行充分消解，同時(shí)也可以進(jìn)行比色處理，所以也叫消解比色管。

3.結(jié)語(yǔ)

本研究主要對(duì)基于嵌入式的地表水化學(xué)需氧量在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的功能和功能實(shí)現(xiàn)方面的問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)本研究分析可以得出，該系統(tǒng)能夠有效對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)資源進(jìn)行管理，并且以其油量的高性能和多用戶(hù)強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行地表水的化學(xué)需氧量檢測(cè)，具有較為現(xiàn)實(shí)的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]吳君勝，曾海.基于Web虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的樓宇漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專(zhuān)業(yè)版），2011，23（06）：563-564.

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