摘 要： 为了实时了解水质溶解氧（DO）含量，准确掌握水文动态，设计了基于ARM的DO监测系统。以ARM920TS3C2410为主控制器，运用最小二乘法温度补偿原理及嵌入式技术对DO参数进行实时采集、处理及远程传输。测试结果表明，该系统监测准确，运行稳定，实现了对水体DO的实时监测。

关键词： ARM；DO；920TS3C2410；温度补偿；GPRS

0 引言

　　大气中的氧分子溶于水体称为溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）。溶解氧是鱼类等水生物生存的必备条件，此外溶解氧含量是衡量水体自净能力的一个重要指标[1]。当水中藻类过度繁殖、富营养化时，水体溶解氧含量将会降低，水生物窒息死亡，水质逐步恶化，因此有必要设计一种能够实时反映水体溶解氧动态变化、具有报警功能的实时监测系统[2]，及时了解水质状况，方便环保部门对水环境的治理。文中研究的溶解氧监测系统不仅能快速采集、处理水体DO数据，而且可以将监测结果实时传送到监测站进行水污染分析。其成本低、功能完善、简单便捷，为水污染预防和治理提供有力的帮助。

1 监测系统设计

　　监测系统通过水质传感器实时获取水质参数信号。水质传感器获取的信号将被传送至调理电路实现对传感信号的优化、滤波处理。A/D模块进行高精度的模数转换，经过ARM处理器920TS3C2410将信号进行温度补偿、分析和存储，最后通过GPRS将水质参数信号传送到监测站进行分析。监测系统结构框如图1所示。

　　系统还应具有良好的分辨率、准确度等检测参数，整个系统的指标如表1所示。

2 DO硬件电路

　　2.1 参数调理电路

　　监测系统中传感器输出信号多为电流信号，存在漂移失真、噪声干扰等，为此在传感器与A/D转换模块之间设计了温度与DO信号调理电路，对采集信号进行除噪和I/V转换等。

　　2.1.1 DO传感器结构及工作原理

　　监测系统采用极谱式薄膜溶解氧电极作为传感器[3]。黄金片作为阴极，银片为阳极，KCL溶液作为电解液，顶端以聚四氟乙烯薄膜覆盖。由于外加极化电压使得两电极间存在电位差，如果待测液中有氧存在，则通过聚四氟乙烯薄膜在阴极发生还原反应产生电流。反应式如下：

　　阴极：O2+2H2O+4e→4OH-

　　阳极：4Ag+4Cl-→4AgCl+4e

　　在一定条件下，反应电流的大小与水中氧的分压有关，而水中氧分压与水中溶解氧成正比，所以水中溶解氧的浓度可以由传感器输出电流的大小来表示。

　　2.1.2 DO采集调理电路[4]

　　DO采集调理电路如图2所示，阳极（Ag端）由稳压管、电容和电位器构成激励源电路，为DO传感器的正负电极提供极化电压，极化电压的大小可由电位器P1调节。当阳极输出的电压满足要求时，水中的氧在Au端发生反应，产生μA级电流。而传感器输出的是较弱的电流信号，极易受到噪声等信号影响，因此需要对传感器输出的弱电流信号进行无损放大。而传感电极的内阻较大，因此采用输入阻抗较高的CA3140运算放大器作为第一级前置放大器。CA3140不仅具有较高的输入阻抗还具有增益高、噪声小等优点，可有效减少信号衰减实现弱电流的第一级放大。由于A/D转换模块的输入是电压信号，第二级调理部分采用低功耗仪表放大器AD627实现I/V转换及第二级电压程控可变倍数放大，将电流转换到A/D转换模块可接收的电压范围。AD627的失调漂移、增益漂移和增益误差都较低，因此，可最大程度消除系统中的直流误差且AD627又具有较好的共模抑制比（CMRR），可很好地消除传输线干扰和传输线谐波噪声，从而确保在放大过程中信号质量不会受到影响。

　　实验测试显示，输出的信号中携带了一定量的高频毛刺，致使水质参数信号不稳定，因此，在调理电路中设计了低通滤波电路用以消除高频杂波，提高信号精度。低通滤波电路如图3所示。其传递函数为：

　　根据设计需要，可以调节R1、C1设置低通滤波器允许通过的最大频率值。水质信号在测量过程中易受到外界的工频干扰[5]，因此，设计中加入50 Hz的工频陷波电路。50 Hz工频陷波电路如图4所示。

　2.2 系统抗干扰与供电系统

　　系统中水质信号除了受50 Hz工频等噪声干扰，系统本身也存在诸多电源干扰、信号通道干扰等。对此本文中设计抗干扰措施来抑制干扰源：PCB板图设计过程中，尽量加粗电源线与地线，保证电源线、地线走向与信号传递方向一致，增强抗干扰能力；数字地与模拟地分开连接，从而避免模、数电路之间的回路干扰。

3 温度补偿设计

　　水质传感器易受敏感参量——水温的影响，产生温漂误差，因此，传感器必须经过温度补偿校正，使测量值最接近实际值。系统的创新之处在于运用最小二乘法原理将传统的硬件温度补偿改进为软件补偿，弥补了传统硬件温度的调试困难、精度低的缺点。

　　3.1 最小二乘法原理

　　最小二乘法（又称最小平方法）是一种数字优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。在研究两个变量（X、Y）之间的关系时，通常可以得到多个成对数据组（X1 Y1～Xn Yn），将这些数据描绘在X-Y坐标系中，如果发现这些点在一条直线附近，可令这条直线方程为：

　　yi=a0+a1·xi（1）

　　其中，a0、a1为任意实数。

　　为了建立这条直线方程就要确定a0、a1，将实测值yi与yj离差的平方

　　求解出a0、a1，代入式（1），此时式（1）的方程就是回归的元线性方程。

　3.2 温度补偿设计

　　在水质数据采集端，还加入了温度传感器用以采集水体温度数据，将其作为DO信号温度补偿的标定参数。在温度传感器测量范围内确定m个温度（T1…Tm）作为设定点，在DO传感器的测量范围内确定n个DO（DO1…DOn）作为设定点。

　　在不同的温度T1…Tm下分别对DO测量值进行静态设定，获得了对应不同温度状态下的m条DO—UDO特性组，同时也获得了对应于不同溶解氧量的温度传感器的n条T—UT特性组。

　　采用最小二乘法原理，对上述两个特性组进行多次拟合计算，得出补偿系数[6]。将补偿方程存储在温度补偿子程序模块中。ARM控制器采集到水质DO参数的电压信号后，调用水质参数各自的温度补偿子程序，实现对信号的实时校准。

　　4 系统软件设计

　　系统软件需实现对传感器数据的采集、处理等；对GPRS模块进行编程，在GPRS网络下传送、接收数据。其主程序流程如图5所示。系统软件设计包含：水质信号采集程序模块和数据处理程序模块两部分。

　4.1 水质信号采集程序模块

　　信号采集的主要流程如下：采集定时[7]（采集定时时间由MCU来分配）时间到达后，ARM控制器发出采集命令，水质传感器上电初始化，系统采集数据、处理、发送，发送结束后控制器进入休眠状态，关闭传感器电源。这样既满足了水质信号的实时采集，又降低了系统的功耗。信号采集程序流程图如图6所示。

　4.2 数据处理程序模块

　　数据处理程序模块分为两部分：应用程序和嵌入式操作系统程序。应用程序包含水质多参数信号处理、人机交互界面设计、GPRS网络传输；嵌入式操作系统包含控制按键、LCD和GPRS传输模块驱动程序设计。系统的嵌入式Linux软件平台是在PC上REHL4 Linux操作系统下建立的。采用arm-Linux-gcc-2.95.3作为交叉编译工具。Linux软件平台建立包含4部分：（1）建立交叉编译环境；（2）制作Bootloader；（3）移植Linux内核；（4）根文件系统编写[8-9]。

　　GPRS程序部分主要实现水质参数数据的接收和传输。GPRS模块通过RS－232串口与ARM处理器的UART0口连接，UART口的驱动程序设计采用了循环队列结构，环形缓冲区通过一个线性数组和指针实现操作。GPRS编程设计采用AT指令来实现对GPRS模块的控制，从而实现数据的接收与发送。

5 系统测试

　　在温度为0～40℃，相对湿度小于90%的室外环境下，对整个监测系统进行了反复测试，其运行稳定，响应快。对苏州新区某河流定点水质进行了监测，测试参数如表2所示。

　　从表2可知，DO偏大于参数指标10%，后找到误差原因：DO传感器进入水中水位深度不一致。在此后的监测过程中，确保了每次测量时DO、温度传感器的入水深度相同，监测结果稳定，满足参数指标。从表2溶解氧测量值分析可知，该河流点溶解氧偏低，藻类过度繁殖，水质富营养化，需要进一步治理。

6 结论

　　该系统以ARM处理器为控制核心，实现对水质DO参数信号的采集、存储和传输。嵌入式系统的应用保证了监测系统的稳定性和实时性。此系统针对DO参数设计了合理的调理电路、温度补偿措施，保证了采集信号的准确性。本系统监测稳定、实时测量准确、数据远程传输，具有很好的市场应用前景和较高的环保推广价值。

参考文献

　　[1] 陈光，刘廷良，刘京，等.浅谈我国水质自动监测质量保证与质量控制[J].中国环境监测，2006，30（1）：55-58.

　　[2] MOGHEIR Y， SINGH V P. Application of information theory to groundwater quality monitoring networks[J]. Journal of Water Resources Management， 2002（16）：37-49.

　　[3] 周娜，祝艳涛.传感器在水质监测监测中的应用探讨[J].环境科学导刊，2009，28（增刊）：119-123.

　　[4] 王乐毅，王勇.基于FPGA的水质智能监测子站系统[J].哈尔滨工业大学学报（自然科学版），2010，12（2）：15-17.

　　[5] 任洪林，陈珗名.消除电网工频信号干扰的陷波电路设计[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2007，25（1）：5-7.

　　[6] 张艳锋，严家明.基于最小二乘法的压力传感器温度补偿算法[J].计算机测量与控制，2007，15（12）：870-1874.

　　[7] 陈华凌，陈岁生，张仁政.基于ZigBee无线传感网络的水环境监测系统[J].仪表技术与传感器，2012（1）：71-73.

　　[8] 荀艳丽.Linux内核在S3C2410上的移植的研究[J].现代电子技术，2012，35（12）：13-15.

　　[9] 陈岩，吴静珠，杜晓明，等.基于S3C2410的无线抄表手持终端设计[J].微电子学与计算机，2008，25（11）：229-232.