广东工业大学硕士学位论文在线水质监测系统的设计
姓名：阳仲伯申请学位级别：硕士专业：精密仪器及机械指导教师：唐露新
20100601
摘要摘要在线水质监测系统已由单一参数便携式水质分析仪器向多参数网络化自动监测系统的方向发展，通过现代网络测控技术实现多个水质参数的自动监测，并能使水质参数信息准确无误地显示在远程客户终端。因此，这就需要研究一套全天候、连续地、无人看守的在线水质监测系统。本论文以防止水质二次污染为前提，本着实现低碳生活的原则，对比传统的化学水质分析方法，选择基于光度法水质监测原理，通过嵌入式ｗｅｂ技术，最终实现水质多参数的网络化监测。本文首先介绍了水质监测的研究现状以及监测过程中的关键技术，然后对基于光度法水质监测理论进行分析研究，结合朗伯比尔定律和光电检测原理，推导待测电压与样品浓度的关系，采用最ｄｘ－－乘法线性回归算法建立模型，并利用此模型对水样进行监测，并设计了基于嵌入式ｗｅｂ和ＣＡＮ总线的远程水质监测系统。具体内容包括：１．深入分析基于光度法的水质检测原理，分析测量中高浓度时出现偏离因素，提出了基于最小二乘法线性回归的测量模型，并对其数学模型进行了阐述和求解。２．构建基于嵌入式的网络监测软硬件平台，包括：选用￥３ｃ２４１０ｘ作为嵌入式ｗｅｂ服务器的ＣＰＵ和设计基于ＡＴｍｅｇａｌ２８的现场水质监测节点。重点对节点的硬件设计进行了详细的阐述，其主要包括：光路系统、光电检测及处理电路、人机接口电路、报警电路、ＣＡＮ通信电路等；着重分析了光路系统中的单色ＬＥＤ光源和光电传感器的选择等问题，同时对光电检测及信号处理电路进行了详细的设计。３．为实现在线水质监测，在硬件平台基础上，设计系统软件，包括：监测节点软件模块和嵌入式ｗｅｂ服务器的实现过程。节点软件模块主要包括：数据采集、数据处理、ＥＥＰＲＯＭ存储模块、ＬＣＤ显示及按键设置、ＣＡＮ通信等模块，其中数据处理部分，采用基于最小二乘法的线性回归模型对其数据进行修正，用来提高测量的精度。４．对嵌入式ｗｅｂ服务器软件进行了设计，包括：移植Ｌｉｎｕｘ操作系统，编写ＣＡＮ驱动程序，移植并配置ｂｏａｓｅｒｖｅｒ，编写动态网页访问ＣＧＩ程序，编译和移植嵌入式数据库ＳＱＬｉｔｅ，设计远程客户端整体软件结构，并就主要功能模块进行了划广东工业大学硕士学位论文分，同时就嵌入式数据库ＳＱＬｉｔｅ在水质监测系统中的应用进行了设计，重点编写了ＣＧＩ访问ＳＱＬｉｔｅ的主要代码。５．最后通过水质中臭氧、余氯的实验原理分析，选择适合的光电传感器ＢＳ５２０以及波长为５１０ｎｍ的单色光源，将他们应用于所设计的在线水质监测系统。实验表明，基于光度法原理的在线水质监测系统能自动地监测多个水质参数，对中高浓度的水质参数监测，在精度和稳定性上有明显的提高，其实验过程和结果基本达到预期的设计要求和目的。随着课题的进一步研究深入和软硬件功能完善，可将该技术应用于当前工业环境污水、自来水厂等在线水质监测系统。关键词：水质监测；网络测控系统；光度法；最小二乘法；嵌入式ｗｅｂ；ＵＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＯｎ—ｌｉｎｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｍｕｌｔｉ－ｐａｒａｍｅｔｅｒｑｕａｌｉｔｙａｎｄｎｅｔｗｏｒｋｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｒｏｍｓｉｎｇｌｅｃａｎｐａｒａｍｅｔｅｒａｎｄｐｏｒｔａｂｌｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎａｌｙｓｉｓｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ｗｈｉｃｈｍｏｎｉｔｏｒｍｕｌｔｉ－ｐａｒａｍｅｔｅｒｔｈｒｏｕｇｈｍｏｄｅｒｎｎｅｔｗｏｒｋｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ，ａｎｄｓｈｏｗｔｈｅｉｎａａｃｃｕｒａｔｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｔｏｒｅｍｏｔｅｃｌｉｅｎｔ，ＳＯｗｈｉｃｈｉｎｄｕｃｅｓｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｓｔｕｄｙｔｈｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｅｐｒｅｍｉｓｅｔｈａｔｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆａｌｌ—ｗｅａｔｈｅｒ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｐｏｌｌｕｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒ，ｂａｓｅｄｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｕｎｇｕａｒｄｅｄ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ＇ｏｎｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃａｒｒｙｉｎｇｏｕｔｌｏｗ—ｃａｒｂｏｎｌｉｆｅ，ｃｏｍｐａｄｎｇｗｉｔｈｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｓｙｓｔｅｍｏｕｔｕｓｅｄｗａｔｅｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｂａｓｅｄｏｎｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｒｙ，ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｃａｒｒｉｅｄＩｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ，ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｋｅｙｓｔａｔｕｓｔｈｒｏｕｇｈｅｍｂｅｄｄｅｄｗｅｂｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ；Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｗａｔｅｒｏｎｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｂａｓｅｄｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｒｙｗａｓｗｅｒｅａｎａｌｙｓｅｄａｎｄｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙｔｈｉｓ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎａｂｓｏｒｂｉｎｇｏｆｐｈｏｔｉｃａｎｄＬａｍｂｅｒｔ—Ｂｅｅｒｌａｗａｂｓｏｒｂｅｎｃｙａｎａｌｙｓｅｄ，ｂａｓｅｄｏｎｂｅｔｗｅｅｎａｎｄｓａｍｐｌｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｆｏｒｖｏｌｔａｇｅｏｎａｎｄｓａｍｐｌｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｂｙｂｕｉｌｄｉｎｇｌｉｎｅａｒｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｕｌｅｂａｓｅｄｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｍｅｔｈｏｄ，ｆｏｒｗａｔｅｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｂａｓｅｄｏｎｍｏｄｕｌｅ，ａｎｄｒｅｍｏｔｅｗａｔｅｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｓｅｍｂｅｄｄｅｄｗｅｂａｎｄＣＡＮｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｎｔｅｎｔｉｓｏｎｆｏｌｌｏｗｓ：１．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｂａｓｅｄｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｒｙｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｗｈｅｎｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｗａｔｅｒｗａｓｄｅｔｅｃｔｅｄ，ｔｈｅｄｅｐａｒｔｕｒｅｆａｃｔｏｒｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｏｎｌｉｎｅａｒｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｕｌｅｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｂａｓｅｄｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｍｅｔｈｏｄＷａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｕｌｅｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｎｄｓｏｌｖｅｄ．２．Ｂｕｉｌｄｉｎｇｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｂａｓｅｄｓｅｒｖｅｒｏｎｅｍｂｅｄｄｅｄｆｏｒｎｅｔｗｏｒｋｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，￥３Ｃ２４１０ＸＷａｓｕｓｅｄｆｏｒｅｍｂｅｄｄｅｄｗｅｂｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｏｄｅｂａｓｅｄｏｎＣＰＵ，ｆｉｅｌｄｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙＡＴｍｅｇａｌ２８ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｎｏｄｅｈａｒｄｗａｒｅｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓ，ｗｈｉｃｈｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｌｉｇｈｔｐａｔｈｓｙｓｔｅｍ，ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｃｉｒｃｕｉｔ，ｈｕｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｅｆａｃｅｃｉｒｃｕｉｔ，ａｌａｒｍｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ＣＡＮｓｅｎｓｏｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ｅｔｃ，ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｍｏｎｏｃｈｒｏｍｅｌｅｄａｎｄｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙｉｎｌｉｇｈｔｐａｔｈｓｙｓｔｅｍ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃＩＩＩｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｉｇｎａｌ广东工业大学硕士学位论文ｐｒｏｃｅｓｓｃｉｒｃｕｉｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓ．３．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｏｎ—ｌｉｎｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｍｏｄｕｌｅｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｏｄｅａｎｄｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｅｍｂｅｄｄｅｄｗｅｂｓｅｒｖｅｒ，ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｍｏｄｕｌｅｏｆｎｏｄｅｗｈｉｃｈｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓｄａｔａｓａｍｐｌｉｎｇ，ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＥＥＰＲＯＭｍｅｍｏｒｙｍｏｄｕｌｅ，ＬＣＤｄｉｓｐｌａｙｍｏｄｕｌｅ，ｓｅｔｔｉｎｇｋｅｙ—ｐｒｅｓｓ，ＣＡＮｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ，ｅｔｃ．Ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐａｒｔｃｏｒｒｅｃｔｅｄｄａｔａｂｙｔｈｅｌｉｎｅａｒｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｕｌｅａｎｄｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．ｂａｓｅｄｏｎｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｍｅｔｈｏｄ，４．Ｅｍｂｅｄｄｅｄｗｅｂｓｅｒｖｅｒｗａｓｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｍｐｉｌｉｎｇｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓｐｏｒｔｉｎｇＬｉｎｕｘｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｏｒｔｉｎｇｅｍｂｅｄｄｅｄＳＱＬｉｔｅ，ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｒｅｍｏｔｅｃｌｉｅｎｔＷａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔａｌｉｚｉｎｇｍｏｄｕｌｅ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｅｍｂｅｄｄｅｄＳＱＬｉｔｅｕｓｅｄｉｎｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．５．Ｌａｓｔｌｙ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｅｌｅｃｔｅｄｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｏｎｓｅｎｓｏｒＢＳ５２０ａｎｄｍｏｎｏｃｈｒｏｍｅｌｅｄｂａｓｅｄｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｄｆｏｒ５１０ｎｍｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｚｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｎｄｏｎ－ｌｉｎｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｏｎ—ｌｉｎｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｒｙｔｈｅｏｒｙＣａｎｍｏｎｉｔｏｒｍｕｌｔｉ－ｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｗａｔｅｒ，ｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｗａｔｅｒ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｓｙｓｔｅｍｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄａｎｄａｎｄｏｖｅｒｃｏｍｅｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｇｒｅｅｄｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｄｅｓｉｇｎｅｄｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｎｕｓｅ—ｇｏａｌ．Ｗｉｔｈｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｙｒｅｓｅａｒｃｈｓｕｂｊｅｃｔａｎｄｂｅｕｓｅｄｆｏｒｐｅｒｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｓｙｓｔｅｍｗａｓｔｅｗａｔｅｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｅｔｃ．ＣａｎｗａｔｅｒｗｏｒｋｓａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌＫｅｙｗｏｒｄ：ｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｎｅｔｗｏｒｋｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ；ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｒｙ；ｅｍｂｅｄｄｅｄｗｅｂ；ｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｍｅｔｈｏｄ；ＩＶ
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