在我國，水污染已經成為嚴重的環境問題。現有水質監測系統的方法大多分為兩類：（1）采用人工操作的方法，其監測系統龐大，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］。基于這兩類方法的監測系統，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境監測和保護的要求。因此，研制能夠對水質進行自動采樣、多參數監測﹑自動化分析以及對監測數據無線傳輸的水質監測系統十分必要。

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、成本低和性能穩定等顯著優點［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測系統的設計方法。介紹了該監測系統的監測原理，給出了系統的總體方案，分析了系統的總體結構以及功能，設計了系統的控制硬件和軟件。

1 系統測量原理

該系統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 水質監測系統總體結構

圖1為多參數微小型水質監測系統的原理框圖，分為單片機測量控制系統和ARM硬件控制系統。嵌入式ARM系統主要實現整體控制，通過對觸摸屏菜單的操作，對單片機測量系統發出控制命令，可以實現對水中的鉻、鉛、A表面活性劑、化學耗氧量（COD）、氨氮、總磷和揮發酚的標定，單步測量和依次測量。然后嵌入式ARM系統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，從而實現對庫區和大江大河環境水質狀況的實時監測。

2.1 單片機測量控制系統

單片機控制系統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，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

ARM硬件控制系統的任務主要包括：光譜數據的接收與分析處理、控制單片機系統、測量數據發射、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觸摸屏對該系統的各個參數進行設定，ARM系統與單片機系統通信，通知單片機系統的各個模塊準備測試。然后ARM系統向單片機系統發送測試第一個參數的命令，單片機系統按照制定好的步驟，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系統發送命令，通知單片機系統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。系統選用的光譜儀為重慶大學微系統研究中心自主研發的微型光譜儀，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 系統的軟件設計和數據處理

多參數微小型水質監測系統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系統向單片機系統發送命令，單片機系統控制各個機構。測試第一個參數，ARM系統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，系統標定和測試都是10次測量，所以本系統已從軟件設計考慮，減少了系統的隨機誤差。

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［5、6］。本系統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機端已經收到發送的數據；如果回復內容是3，則說明PC機端沒有收到發送的數據，繼續重發；如果回復內容是2，則說明PC機端向ARM系統發送命令，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、裝配和聯合調試，并且用觸摸屏控制各個系統進行了綜合調試。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，系統運行狀態較好，整機工作穩定。

多參數微小型水質監測系統采用了嵌入式技術和 GPRS技術進行設計開發，有效實現了對環境水樣中的鉻、鉛、A表面活性劑、化學耗氧量（COD）、氨氮、總磷和揮發酚的實時檢測與遠程監測，與目前國內外同類水質監測系統相比具有體積小、可靠性高、效率高、成本低、功耗低、實時監控等特點。不僅保證了監控人員能夠及時準確地收到多參數微型水質監測系統發送的水質數據，而且保證了多參數微型水質監測系統也能夠及時收到監控人員的反饋信息，使用者和監控中心能做到實時通信，從而實現了真正的實時監測，具有良好的應用前景。

參考文獻

［1］ 柴紅柳。基于GPRS的環境水質pH值自動監測系統的研制［D］。長春：吉林大學，2007.

［2］ 桑楠。嵌入式系統原理及應用開發技術（第2版）［M］。北京：高等教育出版社，2008．

［3］ 鐘章隊.GPRS通用分組無線業務［M］。北京：人民郵電出版社，2001.

［4］ 費業泰。誤差理論與數據處理［M］。北京：機械工業出版社，2000.

［5］ 趙立權。在Linux下實現安全PPP連接［J］。云南師范大學學報，2002，22（3）：7-10.

［6］ SIMPSON W.The point to point protocol［S］.RFC1661，1994.