基于NIR太湖水总磷、总氮在线自动采样分析系统研究

董晓岚

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

1 采样分析装置设计

本设计采用近红外光谱NIR测定法作为核心监测技术，该系统由采样监测终端、终端控制模块、通信模块三部分组成[1-2].

试验期间采用的采样装置设计如图1所示.水样经软管由蠕动泵泵入采样池，水样分析由Infra Spec VFA-IR红外分光仪(5 400～10 800 nm)完成.在水样采集现场，蠕动泵采用创锐分配型BT100FJ系蠕动泵，最大流量为380 mL/min的控制开关，通过串口继电器输出控制器(型号：JMDM-COM8MR)与现场控制电脑相连，手持式GPS单元(型号：WBT201)与控制电脑同时启动，在记录采样点水样经纬度的同时，完成水样的采集.GPS单元通过USB接口向控制电脑输出NMEA-0183或者GPGGA格式，包含了定位时间、纬度、经度、高度、DOP值、差分状态和校正时段等定位所用的卫星数.

图1 试验采样装置

实际的采样监测终端增加了过滤装置和自动清洗装置.采用0.45目过滤膜排除悬浮颗粒与生物残体对水样的干扰，自动清洗装置定期冲洗测量池，防止杂质和污染物沉积在测量池中，影响测量精度.Infra Spec VFA-IR红外分光仪安装在采样监测终端上，实时在线对水样进行光谱采集，每个试样的光谱扫描时间在1 min之内[3].

2 采样装置终端控制模块

终端控制模块负责完成采样监测终端的采样顺序动作、GPS数据采集、监测数控的传输等功能，是整个在线自动采样分析系统的核心控制器.终端控制模块系统组成结构见图2.控制器采用三星公司S3C2410 32位RSIC嵌入式微处理器，负责操作系统的运行、数据信息的处理.采用Infra Spec VFAIR光谱仪测得的总磷、总氮水质数据经模数转换器ADCO与微处理器进行数控传输.采用的M-89 GPS模块通过串口和微处理器交换数据以NMEA-0183标准输出多种格式的定位数据，包括采样时间、采样地点的经纬度数据.采用SIMCOM公司SIM300C GPRS模块与远程网路服务器进行无线通信，将数据传输回监控中心[4-5].

图2 终端控制模块系统组成结构

3 GPS数据与PC的实时通信

PC通过串口RS-232接收GPS数据，以中断方式从GPS定位语句RMC中提取地理信息，据国函[2008]45号文件《国务院关于太湖流域水环境综合治理总体方案的批复》和苏政发[2009]36号文件《江苏省太湖流域水环境综合治理实施方案》，GPS输出的NMEA-0183 数据格式是具有统一标准的异步串行通讯格式，提供ASCII码输出标准，供用户编程使用.NMEA-0183 数据格式的GPS与计算机通信的研究常见有基于VC和VB等语言，本研究是基于VB来实现的.在数据通信界面添加MSComm控件、CommonDialog控件、CommonButton控件等，分别提供数据通信、参数设置和数据传输功能.其中在CommonButton控件的Click 事件下添加程序代码，实现数据通信.数据通信流程图见图3.

图3 数据通信流程图

4 采样信息在GIS的实时显示

在GIS环境下，可以在背景矢量图或者遥感图像上将采样点的位置信息以及全磷、全氮等的水质监测信息自动输入属性数据库，并在太湖水域矢量图上实时显示.在ArcGIS中，通常选择在Normal节点或者Project节点的ThisDocument、Forms和Modules属性中编写宏命令，宏程序代码流程见图4.采用VBA语句编写代码，点击编辑器工具条上的运行按钮，代码可立即被执行，采样点的地理信息和水质数据就能立即在矢量图或遥感图上显示，见图5.

图4 采样点信息地图显示流程图

图5 采样点信息的自动实时显示

5 结论

针对远程多点、频繁、实时的监测对象，设计了一种太湖水总磷总氮在线自动采样分析系统.采用近红外光谱NIR作为核心监测技术在线监测太湖水总磷(TP)、总氮(TN)含量，并同步将采样点的水质数据在线显示在太湖矢量地图上，监测太湖水质中与蓝藻相关因子并拥有大量有关数据，为分析、预测、治理水环境提供必要的依据.

[1]李翊君. 杭州市某污水管网水质在线监测系统设计[J]. 中国给水排水，2009，25(4)：49-52.

[2]贾鹤鹏，陈正. 水质在线监测逆流起航[J]. 科学新闻，2009(8)：74-75.

[3]蔡励勋. 海洋多参数水质在线自动连续监测浮标应用[J]. 中国水产，2008(4)：57-59.

[4]席飞，余震虹. 用GPRS技术设计在线水质监测系统[J]. 科学技术与工程，2009，9(14)：4167-4168.

[5]张春晶. 基于GPRS的水质监测系统设计[J]. 机电一体化，2009(8)：47-49.