太湖水總磷總氮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
太湖以其豐富的水資源為蘇州、無(wú)錫、常州等地區(qū)近2 000萬(wàn)人口提供著生活用水和工業(yè)用水。陸地生態(tài)系統(tǒng)中化肥、農(nóng)藥的使用導(dǎo)致大量氮、磷進(jìn)入太湖，水體富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致藻類(lèi)大量繁殖并形成水華現(xiàn)象，破壞了太湖的自然循環(huán)，且局面有可能進(jìn)一步惡化。
傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)手段——常規(guī)化學(xué)分析法測(cè)定結(jié)果較精確，但樣品不易保存，大量化學(xué)試驗(yàn)操作復(fù)雜、成本高、周期長(zhǎng)。太湖水體面積約2 500 km2，以常規(guī)化學(xué)分析法1 km2 測(cè)1個(gè)點(diǎn)計(jì)算，需要測(cè)2 500個(gè)點(diǎn); 1 個(gè)被測(cè)水樣測(cè)N個(gè)水質(zhì)參數(shù)，需要做2500×N個(gè)測(cè)試，這樣大規(guī)模的測(cè)試非常困難。常規(guī)化學(xué)法不能實(shí)現(xiàn)太湖水質(zhì)多點(diǎn)同時(shí)在線監(jiān)測(cè)，不能獲得實(shí)時(shí)、全面、準(zhǔn)確的太湖水質(zhì)狀況。
采用近紅外光譜N IR 測(cè)定法可實(shí)現(xiàn)對(duì)太湖水總磷(TP)、總氮(TN )含量的快速、無(wú)損、自動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)附加GPS數(shù)據(jù)將在線監(jiān)測(cè)信息傳送至監(jiān)控中心GIS 水質(zhì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。由于系統(tǒng)不間斷連續(xù)監(jiān)測(cè)，因此獲得的數(shù)據(jù)能及時(shí)、準(zhǔn)確地反映太湖水質(zhì)狀況和污染變化趨勢(shì)，為各級(jí)環(huán)境管理部門(mén)及時(shí)掌握水質(zhì)狀況，預(yù)警、預(yù)報(bào)重大水質(zhì)污染事故提供依據(jù)[1-2]。
1 在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
設(shè)計(jì)采用以近紅外光譜NIR測(cè)定法為核心的監(jiān)測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)由采樣監(jiān)測(cè)終端、終端控制模塊、監(jiān)控中心3部分組成[3- 4] 。
1. 1 近紅外光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)
近紅外光譜法是20世紀(jì)90年代以來(lái)發(fā)展最快、最引人注目的光譜分析技術(shù)，幾乎所有有機(jī)物的主要結(jié)構(gòu)和組成都可以在近紅外光譜中找到信號(hào)，加之測(cè)試時(shí)間短、不消耗化學(xué)試劑、適合現(xiàn)場(chǎng)直接檢測(cè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。近年來(lái)近紅外光譜在環(huán)境尤其是水質(zhì)方面的應(yīng)用集中在中紅外波段(反映有機(jī)物分子振動(dòng)信號(hào)的基頻信息)，相對(duì)于近紅外光譜具有信號(hào)強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)明顯、信息量豐富等諸多優(yōu)點(diǎn)[5] 。
本設(shè)計(jì)選用Infra Spec公司最新生產(chǎn)的VFA- IR紅外分光儀(5 400~10 800 nm )，對(duì)每一個(gè)水樣平均掃描40次透射光譜并自動(dòng)求其平均光譜，采用窗口寬度為5 個(gè)點(diǎn)的Savitzky- Golay濾波器濾波，使用N ico le t公司開(kāi)發(fā)的光譜定量分析軟件TQ Analyst v6 建立TP、TN 標(biāo)準(zhǔn)溶液和太湖水樣偏最小二乘法(PLS)回歸預(yù)測(cè)模型[6-8] 。
1. 2 采樣監(jiān)測(cè)終端
采樣監(jiān)測(cè)終端由水樣采集和測(cè)量池兩部分組成(見(jiàn)圖1)。水樣采集部分由軟管通道、蠕動(dòng)泵、過(guò)濾網(wǎng)膜組成。將軟管伸入待測(cè)水源，通過(guò)蠕動(dòng)泵(采用創(chuàng)銳分配型BT100FJ系蠕動(dòng)泵,最大流量為380 mL /m in)抽取待測(cè)水樣，經(jīng)過(guò)0. 45 μm 目過(guò)濾網(wǎng)膜去除水中懸浮顆粒和水生物殘?bào)w等雜質(zhì)對(duì)光譜分析的干擾，處理過(guò)的水樣傳輸?shù)綔y(cè)量池。
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經(jīng)過(guò)過(guò)濾的水樣在測(cè)量池中儲(chǔ)存起來(lái)，等溶液穩(wěn)定，池內(nèi)安裝的Infra Spec VFA - IR紅外分光儀對(duì)每個(gè)水樣進(jìn)行光譜采集，光譜采集過(guò)程不需加溫加壓，每一個(gè)水樣光譜采集時(shí)間不超過(guò)1 min。自動(dòng)清洗裝置用來(lái)定期清洗測(cè)量池，防止水中污染物或雜質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間附著在測(cè)量池表面，影響光譜的準(zhǔn)確度[9] 。
1. 3 終端控制模塊
終端控制模塊負(fù)責(zé)完成監(jiān)測(cè)單元的采樣控制、配水控制、清洗控制，以及GPS數(shù)據(jù)采集、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸控制等功能。
設(shè)計(jì)選用三星公司生產(chǎn)的S3C2410處理器，HOLUX公司的M-89 GPS模塊和SIMCOM 公司的SIM300C GPRS 模塊。微處理器控制采樣監(jiān)測(cè)終端的動(dòng)作、按照協(xié)議讀取GPS定位信息和水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由串口傳至GPRS DTU，通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
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S3C2410是一款基于ARM 920T 內(nèi)核的32位RS IC 嵌入式微處理器，系統(tǒng)擴(kuò)展64MB 的K9F1208 Flash存儲(chǔ)器、SDRAM存儲(chǔ)器、復(fù)位電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等，用來(lái)存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、水質(zhì)信息等，LCD用來(lái)顯示采集的水質(zhì)信息。InfraSpecVFA - IR分光儀測(cè)得的TN、TP水質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADCO傳輸至微處理器并發(fā)送到監(jiān)控中心。存儲(chǔ)單元M - 89 GPS模塊通過(guò)串口以NMEA - 0183標(biāo)準(zhǔn)輸出多種格式的定位數(shù)據(jù)，微處理器以中斷方式實(shí)時(shí)接收，從定位語(yǔ)句中RMC 提取時(shí)間、經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)。SIM300C 模塊使用內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，系統(tǒng)運(yùn)行后配置數(shù)據(jù)傳輸率、系統(tǒng)IP地址、通信端口、APN(Access Po int Name) 等信息，連接計(jì)算機(jī)成功即進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段[10- 11] 。
1. 4 監(jiān)控中心
監(jiān)控中心是整個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的指揮中心，用來(lái)接收、顯示、分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)。監(jiān)控中心通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理終端控制模塊，定時(shí)采集監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)，建立水質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù),以ArcGIS地理信息系統(tǒng)為平臺(tái)進(jìn)行地圖制作，選用ESRI公司的Map Objects組件、VsualBasic6. 0 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)水質(zhì)數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3[12- 13]。
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GIS系統(tǒng)通過(guò)串口通信接收GPRS 接收機(jī)發(fā)送的GPRS數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，動(dòng)態(tài)顯示地圖信息、GPS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)、TP、TN 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及水功能區(qū)劃等信息。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)、水環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)的豐富，還可以通過(guò)應(yīng)用模型實(shí)現(xiàn)水質(zhì)評(píng)價(jià)、富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)及水環(huán)境容量計(jì)算等功能，實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)分析和模擬預(yù)測(cè),為各級(jí)環(huán)境管理部門(mén)提供決策所需的信息。
2 結(jié)語(yǔ)
利用近紅外光譜NIR測(cè)定技術(shù)無(wú)損、快速的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行太湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)，借助GPS工具、覆蓋范圍廣的GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)、連續(xù)、在線的傳送，以地理信息系統(tǒng)G IS為平臺(tái)開(kāi)發(fā)水質(zhì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示、計(jì)算與分析。系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)豐富、采樣監(jiān)測(cè)終端維護(hù)方便、可以方便地處理水環(huán)境的日常監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型及時(shí)地分析各類(lèi)水質(zhì)指標(biāo)，能實(shí)時(shí)、迅速、準(zhǔn)確地反映太湖水質(zhì)狀況，提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)、管理的水平。
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作者簡(jiǎn)介: 董曉嵐(1980- )，女，江蘇蘇州人，講師，碩士，研究方向?yàn)镃AD /CAM /CAE集成。
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