一种水质氨氮检测系统的制作方法

本实用新型涉及一种水质氨氮检测系统，属于环境监测技术领域。

背景技术：

氨氮作为水质污染的重要污染物之一，是导致水体富营养化以及环境污染的重要指标之一。因此研发设计出一款水质中氨氮浓度在线检测系统具有良好的应用前景。

目前，对水体中氨氮的测定主要采用比色或分光光度法以及电极法，其中比色或分光光度法应用广泛，几乎所有的无机离子都可直接或间接的用比色或分光光度法测定，但利用比色法测量水中氨氮，测量要求严格，需要等待显色反应完成才能测试，因此响应速度慢，而且易受样品色度和浊度的干扰，且分光光度法易受测量环境的光照强度，温湿度等条件影响。

国外多采用氨气敏电极法，这种电极较传统的离子选择电极具有更高的精密度及准确度。电极法能够在各种水质的检测中使用，并且具有较强的抗干扰能力，不受水中浊度色度的影响，响应时间短，还可以实现连续测试。伴随着电极法的不断更新与发展，其所具有的检出限能够充分满足清洁水的基本需求。但是，氨气敏电极是一种电化学传感器，而电化学传感器的特性经常会受到很多因素的影响，如环境温度、湿度、大气压、场强、电源波动等外在物理因素，在这些因素的影响下，势必会产生一定的误差，因此运用传感器测量的结果并不一定还是原来的严格线性关系，更多的是呈现一种非线性关系。因此有必要针对电化学传感器的特性，对电化学传感器进行一定的数据补偿。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种可长时间在线监测，并可对测量数据进行补偿校正以获得更为精确的测量数据的水质氨氮检测系统。

为解决上技术技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种水质氨氮检测系统，包括传感器模块、数据采集与信号处理模块、微处理器模块、电源模块、客户端和监测端，所述的电源模块分别与传感器模块、数据采集与信号处理模块以及微处理器模块连接，所述的数据采集与信号处理模块分别与传感器模块和微处理器模块连接，所述的微处理器模块分别与客户端和监测端数据连接；其中：

所述的传感器模块包括用于监测水体中各项指标的若干个传感器；

所述的数据采集与信号处理模块包括依次连接的数据采集模块、信号调节模块和A/D转换模块，所述的数据采集模块分别与各传感器连接，所述的A/D转换模块与微处理器模块连接；

所述的监测端为OneNET云端，所述微处理器模块和监测端通过无线网络或无线WiFi模块发送/接收监测数据；

所述的微处理器模块与客户端通过有线或无线网络发送/接收监测数据。

本实用新型所述的水质氨氮检测系统，由电源模块为采用数据的设备、采集数据及处理数据的模块(传感器模块、数据采集与信号处理模块和微处理器模块)提供电力，由传感器模块采集数据，这些数据经数据采集与信号处理模块进行存储、放大滤波、模数转换后所得信号送入微处理器模块，并由微处理器模块采用最小二乘支持向量机模型对上述信号(即测量数据)进行补偿校正，即得到经补偿后的精确测量数据，该数据再由微处理器模块经有线或无线网络传送到客户端和监测端，使客户端实现数据的实时显示并根据保存的历史数据绘制趋势图，而在监测端则能实现远距离实时在线监测水体中pH值、氨氮浓度、环境温度等各种参数。

上述技术方案中，所述传感器模块通常包括氨气敏电极、pH电极和温度传感器。

上述技术方案中，微处理器模块采用最小二乘支持向量机模型对上述信号(即测量数据)进行补偿校正

上述技术方案中，所述的客户端通常为PC机，所述PC机上安装有数据监测的相应软件。所述客户端与微处理器模块之间的连接可以通过如USB转串口等进行有线连接，也可以通过局域网等无线网络进行无线连接，以实现两者之间监测数据的发送/接收。

上述技术方案中，所述的无线网线可以是以太网等常规应用的无线网络。

与现有技术相比，本实用新型的特点在于：

1、本实用新型所述系统中的微处理器模块能够对由传感器模块检测所得的测量数据进行补偿校正，因而克服了现有氨氮在线检测系统中因氨气敏电极等电化学传感器易受外界因素影响而导致测量结果不准确的不足。

2、本实用新型所述系统对氨氮浓度的检测限宽，为0-100mg/L；在上述检测范围内，本申请人对不同氨氮浓度的溶液进行多次重复测量，经过实验计算结果得出，本发明所述系统的最大相对误差在±3％以内，并且系统处于稳定状态时响应时间较短，平均响应时间在10s以内。

3、采用无线网络传输，实现了对数据信息的实时在线监测与保存、绘制数据监测曲线等，自动化程度较高；同时利用中移动OneNET开放云平台实现物联网应用，实现了远距离实时在线监测水体中pH值、氨氮浓度、环境温度等各种参数。

附图说明

图1为本实用新型一种实施方式的模块结构图。

图中标号为：

10电源模块，20传感器模块，21氨气敏电极，22pH电极，23温度传感器，30数据采集与信号处理模块，31数据采集模块，32信号调节模块，33A/D转换模块，40微处理器模块，50客户端，60无线WiFi模块，70监测端。

具体实施方式

图1为本实用新型所述水质氨氮检测系统一种实施方式的模块结构图。如图1所示，本实用新型所述的水质氨氮检测系统包括传感器模块20、数据采集与信号处理模块30、微处理器模块40、电源模块10、客户端50、监测端70和无线WiFi模块60，其中：

所述的传感器模块20包括用于监测水体中各项指标数据，具体包括3个传感器，分别为测量水体中氨氮浓度的氨气敏电极21、测量水体pH值的pH电极22、以及测量水体所在环境温度的温度传感器23；

所述的电源模块10为整个系统提供电力，该电源模块10分别与传感器模块20、数据采集与信号处理模块30以及微处理器模块40连接；

所述的数据采集与信号处理模块30用于将传感器采集的数据进行存储、放大滤波、模数转换，之后将所得信号送入微处理器模块40；所述的数据采集与信号处理模块30包括数据采集模块31、信号调节模块32和A/D转换模块33，其中，数据采集模块31分别与传感器模块20中的氨气敏电极21、pH电极22和温度传感器23连接，用于采集上述传感器的数据信号以形成监测数据并存储；所述的信号调节模块32分别与数据采集模块31和A/D转换模块33连接，该模块对数据采集模块31中送来的数据进行放大滤波，所得数据再送到A/D转换模块33中进行模数转换操作；所述的A/D转换模块33还与微处理器模块40连接(通过标准接口(如IIC、SPI、串口等)连接)，微处理器对A/D转换模块33送来的数字信号采用最小二乘支持向量机模型进行补偿校正，使所得测量结果更为精确；

所述的微处理器模块40还分别与客户端50和监测端70数据连接；在本实施方式中，所述的客户端50通常为PC机，所述PC机上安装有数据监测的相应软件；所述的监测端70为OneNET云端；具体的，微处理器模块40与客户端50通过USB转串口连接以实现监测数据的发送/接收，而微处理器模块40与监测端70则通过无线WiFi模块60连接以实现监测数据的发送/接收。

上述实施方式中，所述的氨气敏电极21、pH电极22可用上海雷磁仪表公司生产的型号为PNH3-1-01的氨气敏电极21和型号为E-201-C的pH电极22，温度传感器23具体可以是型号为MLX90614的温度传感器23。电源模块10采用型号为MC34063的IC芯片搭建而成的电源电路，由3.7V锂电池供电，产生3.3V和正负5V三路不同电压输出。数据采集模块31具体可以是前置放大器，信号调节模块32可以是由低通滤波器、工频滤波电路、主运算放大电路和电平抬升电路依次连接组成，A/D转换模块33为A/D转换器。微处理器模块40选用北京迅为公司研制的iTOP4412精英板及其外围电路，其与PC机5的数据传输采用PL2303电平转换芯片，通过USB转串口方式实现PC机5和微处理器模块40的串口通信。PC机通过软件设计平台QtCreator5.8.0并结合第三方开源库QCustomPlot和QextSerialPort开发的数据监测界面，选择对应的串口并点击打开串口按钮，实现数据的实时显示并根据保存的历史数据绘制趋势图。所述的无线WiFi模块60具体可以是USB无线网卡(RTL8188EUS)。微处理器模块40通过无线WiFi模块60连接OneNET云端，通过接收服务器转发的数据来实现远距离实时在线监测水质氨氮浓度值及其环境温度。

采用上述水质氨氮检测系统对水体中氨氮的检测时，操作步骤如下：

1)将系统放置干燥平整地方，打开电源模块10开关；

2)将微处理器与PC机连接，打开PC机数据监测界面，并通过浏览器或手机App进入OneNET云端应用界面，做好接收数据准备；

3)量取待测溶液，向待测溶液中滴1-2滴饱和的氢氧化钠水溶液并轻轻搅拌，然后将氨气敏电极21和pH电极22插入待测溶液中；在此操作中应保证待测溶液中的氨氮浓度值在本实用新型所述系统的检测限范围内，如超出检测限上限，可对待测溶液进行稀释后再重新检测；

4)系统开机自检，各电源指示灯正常点亮，系统正常上电，进行开机自检，主要是A/D转换器的自校正；

5)网络通信测试，执行ping命令，检查网络连接是否正常；

6)执行检测命令，配置A/D转换器，模数转换启动，等待转换完成，微处理器接收指令，采集A/D转换器的数字信号；

7)观察、记录及分析，PC机运行支持向量机数据补偿模型(此模型是在实际测量中的大量数据训练而成，并经与其它模型相比较，得到的一个较好的数据补偿模型)。