飲用水砷/氟智能檢測系統的軟件設計與數據處理技術

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摘 要：由于計算機技術的迅猛發展，軟件可以達到硬件不能完成的功能。文章描述了一種純凈水砷和氟智能測試儀器的程序設計，內容包括：人機用戶界面設計；數據通訊和遠程通訊部分設計；氟離子的測定程序設計；利用溶出伏安法的砷離子差分脈沖測定程序設計；應用于溶出伏安法的差分脈沖檢測數據優化的小波解析及其編程實現；計算砷離子濃度和砷離子溶出峰面積的分析。該系統操作簡單，能夠達到全自動地精確的檢測。

關鍵詞：檢測軟件；無線通訊；差分脈沖溶出伏安法；小波去噪分析；砷離子；溶出峰

引言

氟是人類所需的微量元素之一。長期喝含氟量較高的水，會導致氟中毒，產生氟斑牙癥、腎損害、甲狀腺損傷和氟骨病等疾病，而且氟還會對環境產生污染破壞。砷中毒會傷害人類的皮膚、繼發細胞癌化、畸形或突變。文章提出的飲用水砷/氟智能測試系統軟件可以迅速測定純凈水中氟離子濃度，并且使用溶出伏安法完成砷離子濃度差分脈沖測定分析，該方法可以有效地提高測試的靈敏度和準確度，并使用了小波去噪技術，提高了系統檢測下限。

1 系統界面與數據傳送部分的程序設計

本工作的程序設計是基于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）軟件開發平臺，美國國家儀器公司（NI）的測量裝置都帶有NI-DAQ驅動軟件，能夠供LabVIEW直接使用，用于對測量設備編寫程序。飲用水砷/氟智能測試儀器的用戶人機交互界面如圖1所示。主界面安放了一個波形框。

可以描繪砷離子在測試時的波形參數；兩個關鍵句文本窗口，一個可以顯示系統上的通信部分和服務器的通信進程，一個可以跟蹤系統的測試進程，大多會用來顯示檢測的步驟；四個參數文本窗口，依次可以提供飲用水里氟離子濃度的數據值，提供水井里氟離子濃度的數據值，提供純凈水里砷離子濃度數據值，提供水樣里砷離子濃度數據值；八個提供標準添加法的參數提醒方框，四個能夠提供目標液的砷離子濃度與標液里的砷離子濃度，四個可以提供目標液的砷離子溶出峰面積與添加試劑后的砷溶出峰面積；一個Express XY圖，可以顯示砷離子溶出峰面積相關系數、擬合點以及擬合曲線。

用來檢測的編程框圖設計基于順序結構搭建。一共七個大模塊，包括：裝置的初始化，以及電磁閥的開/關初始化， 電源的初始化， 注射泵的通訊收發接口初始化， 蠕動泵的通訊收發接口初始化還有狀態初始化，檢測杯中水樣的初始化；純凈水里氟離子濃度的結果；井水里氟離子濃度的結果； 純凈水里砷離子濃度的測定；井水里砷離子濃度的測定；系統完成檢測并為后續檢測創造初始狀態；參數優化與剖析，產生離子濃度數據；保存和文件傳送。

該飲用水砷/氟智能測定儀器擁有能遠程開機還有參數回傳服務器功能，要求良好的服務器系統與參數通訊部分，參數通訊部分負責服務器發出的開機指令的接收還有把檢測的數值發送到服務器。參數通訊部分的里面分為GPRS/CDMA單元和IP單元兩部分，有二個運行狀態：命令SOCKET狀態；SerialNET透明通訊狀態。SerialNET透明通訊狀態使用配置IP地址與端口號后，便可和服務器建立長連接，如果連接斷開， 服務器和終端自動重連。參數通訊部分發來的數據全部是從數據傳送通道傳達到服務器，服務器指令也是參數通訊部分的數據傳送通道接收。圖2為利用DTU的檢測參數文檔傳送到服務器。

2 利用陽極溶出伏安法的砷離子差分脈沖測試程序設計

2.1 陽極溶出伏安法的差分脈沖檢測編程

溶出伏安法差分脈沖檢測在溶出檢測里的電壓掃描方式是差分脈沖而不是使用線性掃描，在直流線性緩變的掃描電平上疊加小幅值的方形脈沖。溶出伏安法的差分脈沖檢測具有較高的靈敏度和分辨力， 能降低檢測限，可提高100倍左右信噪比。

溶出伏安法的砷離子差分脈沖測定電壓設定為：先預加+0.5V清潔檢測電極，清潔用時是60秒；接著加-0.4V開始砷離子的電聚集，在聚集進行時，砷離子測試攪拌電機工作，加大樣品里的砷離子的擴散速度，保證大部分的砷離子聚集在檢測電極上，期望提高檢測的效率，減短中間耗時，沉積過程使用部分聚集法；在聚集結束后，停止砷離子測試攪拌電機，靜置20秒后，接著打開溶出伏安法差分脈沖掃描，依照設置的電壓變化量（6mV）還有電壓脈沖高度（40mV）進行掃描，掃描的初始電壓是-0.4V，掃描的結束電壓是+0.5V，完成掃描過程的歷時設定為6秒，信號采集在聚集電壓遞增到結束電壓的過程中進行，每次參數記錄的間隔為40毫秒。最終組成一個完全的檢測過程。

2.2 砷離子測定結果的小波去噪分析及其編程實現

差分脈沖伏安分析能夠衰減干擾電流，可以很好地增加靈敏度與準確度。不過在檢測痕量離子濃度時，溶出峰的外形不規則，很難準確指出峰電流。由于小波去噪分析能把有用信號從噪聲中分離出，提升檢測下限。本工作采用DOG小波函數解析砷離子在差分脈沖伏安曲線中的溶出峰。

在離散小波變換的設計中，涉及非常普遍的是Malalt等發表的多分辨率信號分解算法，LabVIEW無法實現很多結果分析處理的繁瑣開發，而MATLAB擁有較好的海量分析功能，本工作便采用LabVIEW和MATLAB協同編程方法。LabVIEW中提供如ActiveX、DDE等標準插口方法，能夠和多種與其它應用程序實現互相調用。LabVIEW使用ActiveX技術來完成MATLAB腳本節點。NI公司LabVIEW開發組建議利用的方法是MATLAB Script節點方法。程序的濾波和平滑對信號的去噪、處理和數據的恢復具有突出作用。

對砷測定部分實行單獨標定，標定條件：聚集電位-0.5V，聚集耗時90秒、，初始電壓-0.4V，結束電壓+0.5V，電壓變化量6mV。采用標準添加法，總共添加20毫升50ppb砷測試標準液三次。圖5是實際溶液檢測原始結果和經過DOG小波去噪之后的檢測參數。

2.3 砷離子濃度以及砷離子溶出峰面積的計算方法

電化學利用測量電流峰高以及面積同時和同一環境下的基準溶液相比較得到離子濃度，初始濃度為零時電流峰高是零。于是電化學對水樣開始檢測前，先將標準溶液實施標定，算出目前液樣濃度與電流峰高和面積兩者的對應關系。電化學系統在掃描獲得電化學信號后，峰的形狀不規則，峰形和掃描前的聚集耗時、掃描檢測中的掃描電壓、掃描速率、待測樣和掃描電壓步長有關。

該智能測試儀器闡明一種利用電化學信號分析的峰面積測量方法，能夠讓金屬離子濃度的檢測快速準確。為實現期望數據結果，尋峰的步驟：（1）調用以往結果，捕獲特征峰所處的位置。（2）甄別特征峰值，并記載下對應的數組索引。（3）在峰值處左右移動固定的索引值，設置判斷閾值（斜率減小到某一值），依照判斷條件尋找較優的可以計算峰面積的索引區間。（4）依照得到的索引區間，積分并減去底部三角的面積，然后產生峰面積。計算砷離子溶出峰面積的程序流程見圖6。依照上述工作，能夠獲得該設備使用標準添加法進行砷離子濃度的檢測。采用標準添加法去除基體效應的干擾。圖7為檢測樣品里砷離子濃度的程序設計。

3 結束語

利用LabVIEW程序開發編寫的飲用水砷/氟自動測試儀器的用戶界面友好、控制比較簡單、可以設定重要的檢測參量還有實時顯示儀器的工作進程。本自動測試儀器擁有能遠程開機包括數據回傳功能，安全的服務器系統和數據通訊部分負責服務器發送的開機指令的接收以及把檢測數據的發送到服務器。處理采集到的信號，利用基于小波分析的信號去噪解析和用于電化學信號分析的峰面積計算方法，可以快速準確的計算砷離子濃度。

參考文獻

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