陆萍蓝 邵力行 张火明 田中仁

摘   要：针对我国的水环境问题，水质监测系统布线困难、非原位和成本高等问题，基于原位检测技术，设计了一种无线原位水质监测系统。该检测方法为无损检测，在水质取样后原位检测，使水质检测更加接近真实。该仪器体积小，可单人操作，水质参数通过无线设备直接联网，便于构建水质监测网络。该仪器采用S7-200PLC作为控制器，通过无线数据终端通信及PLC接收器实现PLC和触摸屏的远程连接。通过软硬件调试，能够远程实时操控并显示设备及测试状态，实现了无线原位水质监测的初衷。

关键词：水质监测;原位检测;无损检测;无线数据;水质监测仪;PLC

中图分类号：X853                                                   文献标识码：A

Research on Wireless Water Quality Monitoring System Based

on In Situ Detection Technology

LU Ping-lan1，2，SHAO Li-xing2？覮，ZHANG Huo-ming2，TIAN Zhong-ren2

（1. Engineering Training Center，China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China;

2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Flow Measurement Technology，

China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China;）

Abstract：In view of the water environment problems in China，the difficulty of wiring，water quality monitoring system，ex situ and high cost，this paper designs a wireless in-situ water quality monitoring system based on in-situ detection technology. The detection method is non-destructive testing，and the in-situ detection after water sampling makes the water quality detection more realistic. The instrument is small in size and can be operated by a single person. The water quality parameters are directly connected to the wireless device to facilitate the construction of a water quality monitoring network. The instrument uses S7-200PLC as the controller to realize remote connection between PLC and touch screen through wireless data terminal communication and PLC receiver. Through software and hardware debugging，it is possible to remotely control and display the device and test status in real time，realizing the original intention of wireless in-situ water quality monitoring.

Key words：water quality monitoring;in situ detection;nondestructive testing;wireless data;water quality monitor;PLC

人類在生活和生产活动中都离不开水，随着我国经济社会的飞速发展，水污染问题也成为普通大众非常关注的热点问题。近些年来媒体报道的关于企业违规排放污水造成水质环境恶化的新闻越来越多。研究证实，由饮用水水质不卫生引起的疾病已成为人类健康主要负担之一[1]。目前国内水质自动监测技术及监测手段与国外先进水平相对落后，自动化水平较低，智能化水平也不高[2]。传统的检测方法采用现场采集样本，送至实验室检测的方法。存在较多缺点，水样在抽取或运输的途中可能会被二次污染，水质检测需要检测多点的水质，测量人员的工作量大成本高。

水质监测发展方向是现场化和智能化。原位检测技术可在采样现场对某些待检水参数或样品进行检查和测试，是一种无损检测方法。越来越多的科研机构通过无线通信和原位检测技术相结合的方式用于监测工作中[3]。李文龙等[4]使用原位检测技术，完成了闭式叶轮五轴原位检测路径规划与实验验证。李克伟等提出一种基于瞬发伽马射线中子活化分析技术的填埋场有害元素成分的原位在线检测方法[5]。

为使水质监测满足智能化要求，现代化的计算机技术和通信技术来代替传统的人工监测方式是当前重点研究领域。赵军等基于ZigBee技术研发一个用于水质检测的无线传感网络系统[6]。李宫等[7]提出了基于Android设备的便携式水质检测仪器。这些方法为水质检测智能化提供一定的参考价值。

针对现有技术存在的缺陷和不足，本文提供了一种供室外使用的水质检测系统及监测仪器，解决现有水质检测系统与仪器存在的弊端，使水质检测日常化、现场化和智能化。相较于赵军、李宫等人提出的以单片机控制处理为核心，搭载时钟模块，模数转换模块，蓝牙通信模块，极小存储卡模块的水质检测仪，所提出的基于原位检测技术的无线水质监测系统，是以西门子公司的可编程控制器 S7-200作为控制器，通过智能控制器GPRS模块实现PLC和触摸屏的远程通信和对水质的实时监测，系统组成合理，检测数据准确，设备运行稳定。

1   原位水質监测系统方案设计

水质监测系统的总体结构如图1所示。

按照需要将水质监测仪布置在待测水域，到达指定点时，采集水质pH值、温度等数据，并将采集到的数据按通信协议封装后发送至岸上操作节点;岸上操作人员经查看，确定是否需要水质监测仪存样，将整个仪器采集的数据通过串口实时传输至远程监测中心计算机，经过对数据误差修正处理后显示。

2   原位无线监测仪器设计与实现

2.1   仪器设计

便携式原位无线水质监测仪如图2 所示。

包括外壳、仪器板、智能工业控制器、PLC、水泵、电动马达、伸缩杆、传感器和盛水容器等部分组成。仪器伸缩杆安装于仪器下方小外壳盖中间，而传感器架安装于伸缩杆的下端，所使用的传感器安装于所述的传感器架上，在仪器外壳腔的预留的孔和马达轴套之间打上玻璃胶防水。控制器控制两个马达同时开启则前进，左马达开启则向右转，右马达开启则向左转。仪器板包括沿圆形分布的24v锂电池，继电器，智能工业控制器，电动机，PLC。水质监测仪器板结构如图3所示。

其中板上器件按重量大小平均分布在圆形仪器板上，这有助于水质监测仪在水中保持平衡，方便拆装，再将仪器板安装在外壳腔体内。水质监测仪外壳如图4所示。

包括外壳腔、小外壳盖、大外壳盖。大外壳盖有两个用于放取样溶液的取样槽和一个用于放清水的清洗槽，把水和仪器分开，有助于整个水质监测仪的防水。

当到达指定监测水域时，控制带有传感器的伸缩杆伸入指定深度，传感器进行监测，读取的数据通过无线通讯模块传到岸上操作平台实时显示。如果需要多次测量，可以用清洗泵对传感器探头进行清洗，然后再次进行检测。在检测过程中如需要留存样本，可以用抽水泵对河水进行取样，储存在腔体样槽内带回。

2.2   仪器主要硬件设计

本系统电路图的设计如图5所示，采用S7-200PLC，通过其自身的RS485和其他模块进行通讯，同时接收传感器传过来的数据，进行识别判断。通过发送指令驱动S7-200，使仪器移动到指定位置，通过S6200智能工业控制器读取传感器数据;当需要取样时则控制PLC进行取样。同时智能工业控制器可以通过RS485口将传感器数据存储在PLC中，也可以通过无线PLC接收器实现PLC和岸上操作台连接，操作台与检测中心的远程连接，对PLC进行控制，从而实现对水质的取样。

而本项目用到的另外一个模块是S6200 PLC 无线通讯模块，内置网页发布，抗干扰能力强，一个模块即可实现PLC的电脑远程控制，手机电脑网页浏览，通过RS485口读取传感器数据并存储在PLC中等功能。同时S6200自带数字输入/输出，可以作为PLC的模拟量扩展模块来接收传感器传过来的模拟量。

3   系统软件设计调试实现

为了实现上述水质监测系统的有效性、正确性，本项目还使用了一个模块是触摸屏，它使用无线PLC接收器作为通讯手段模块，通过触摸屏编程软件进行界面设计，可以读取PLC寄存器存储的传感器数据，并且可以远程控制PLC。利用PLC为平台，建立水质检测仪控制系统与调试系统的联调系统，其中调试系统采用Visual Studio软件平台，依据调试功能模块化的设计思路，进行程序开发。控制系统设置如图6所示。

在远程可以对仪器设备的行进转停控制，到达指定水域后，可对仪器采集装置伸缩杆控制，键入其伸出量及检测时间，在完成检测后或控制取样瓶取样后，可控制伸缩杆收回。另外，在需要多次重复检测时，可以选择清装置后检测。实时检测的数据如图7所示，目前初步设计仅对溶解氧、温度、浊度、pH值等进行检测，在检测过程中如有新的要求，可增加或替换检测采集端完成检测任务。

在完成测量时，不仅可以显示这些数据参数，测得数据的位置将一同给出。根据控制要求，共需要PLC输入点数为18点如图8所示。

5   结   论

本系统的设计主要是为远程监控水质监控所设计的，可将水质现场信号参数通过无线通信的方式传送到远程监控终端，实现了水质参数的原位检测。从系统的设计目标出发，介绍了系统设计实现方案。随后，对系统原位检测重要组成设备水质监测仪的实现机理，进行了专门的设计叙述，按照功能模块的划分设计了动力部分、数据采集和发送和数据接收的模块。描述了仪器监测运行显示及取样过程，设计了仪器软件系统，对其控制系统及显示系统进行了专门的设计。目前已经基本实现了设计的预期目标，可以稳定、可靠地运行，能够对目标水域水质进行实时监测及取样。有效地提高了水质监测的自动化、智能化、现场化的水平和效率，达到了系统设计方案的目标，具有一定的实用价值。

参考文献

[1]    何英华，张惠雯. 吉林省饮用水水质监测指标体系的建立[J].中国地方病防治杂志，2018，33（02）：154—155.

[2]    王诗源，袁琦. 基于LabVIEW的水质监测系统设计与开发[J]. 渔业现代化，2018，45（01）：63—68.

[3]    纪超，王昆. 飞机外挂物管理系统无线原位检测技术研究[J]. 计算技术与自动化，2015（3）：131—135.

[4]    李文龙，王刚，尹周平. 闭式叶轮五轴原位检测路径规划与实验验证[J]. 航空学报，2018，39（03）：244—252.

[5]    李克伟，凌永生，张皓嘉，等. 填埋场中有害元素成分原位检测方法[J]. 强激光与粒子束，2018，30（02）：135—141.

[6]    赵军，林瀚刚，西热娜依·白克力. 基于ZigBee的水质监测系统研制及复杂环境下在线测试[J].中国测试，2018，44（05）：67—70.

[7]    李宫，郭慧，赵辉，等. 基于Android的便携式水质检测仪器的研制[J].环境工程学报，2016，10（07）：3973—3976.