太湖水总磷总氮在线监测系统设计
太湖以其丰富的水资源为苏州、无锡、常州等地区近2 000万人口提供着生活用水和工业用水。陆地生态系统中化肥、农药的使用导致大量氮、磷进入太湖，水体富营养化导致藻类大量繁殖并形成水华现象，破坏了太湖的自然循环，且局面有可能进一步恶化。
传统的水质监测手段——常规化学分析法测定结果较精确，但样品不易保存，大量化学试验操作复杂、成本高、周期长。太湖水体面积约2 500 km2，以常规化学分析法1 km2 测1个点计算，需要测2 500个点; 1 个被测水样测N个水质参数，需要做2500×N个测试，这样大规模的测试非常困难。常规化学法不能实现太湖水质多点同时在线监测，不能获得实时、全面、准确的太湖水质状况。
采用近红外光谱N IR 测定法可实现对太湖水总磷(TP)、总氮(TN )含量的快速、无损、自动监测，通过GPRS无线网络附加GPS数据将在线监测信息传送至监控中心GIS 水质数据管理系统。由于系统不间断连续监测，因此获得的数据能及时、准确地反映太湖水质状况和污染变化趋势，为各级环境管理部门及时掌握水质状况，预警、预报重大水质污染事故提供依据[1-2]。
1 在线水质监测系统
设计采用以近红外光谱NIR测定法为核心的监测技术，系统由采样监测终端、终端控制模块、监控中心3部分组成[3- 4] 。
1. 1 近红外光谱监测技术
近红外光谱法是20世纪90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术，几乎所有有机物的主要结构和组成都可以在近红外光谱中找到信号，加之测试时间短、不消耗化学试剂、适合现场直接检测，在国民经济的各个领域被广泛应用。近年来近红外光谱在环境尤其是水质方面的应用集中在中红外波段(反映有机物分子振动信号的基频信息)，相对于近红外光谱具有信号强度高、结构明显、信息量丰富等诸多优点[5] 。
本设计选用Infra Spec公司最新生产的VFA- IR红外分光仪(5 400~10 800 nm )，对每一个水样平均扫描40次透射光谱并自动求其平均光谱，采用窗口宽度为5 个点的Savitzky- Golay滤波器滤波，使用N ico le t公司开发的光谱定量分析软件TQ Analyst v6 建立TP、TN 标准溶液和太湖水样偏最小二乘法(PLS)回归预测模型[6-8] 。
1. 2 采样监测终端
采样监测终端由水样采集和测量池两部分组成(见图1)。水样采集部分由软管通道、蠕动泵、过滤网膜组成。将软管伸入待测水源，通过蠕动泵(采用创锐分配型BT100FJ系蠕动泵,最大流量为380 mL /m in)抽取待测水样，经过0. 45 μm 目过滤网膜去除水中悬浮颗粒和水生物残体等杂质对光谱分析的干扰，处理过的水样传输到测量池。
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经过过滤的水样在测量池中储存起来，等溶液稳定，池内安装的Infra Spec VFA - IR红外分光仪对每个水样进行光谱采集，光谱采集过程不需加温加压，每一个水样光谱采集时间不超过1 min。自动清洗装置用来定期清洗测量池，防止水中污染物或杂质长时间附着在测量池表面，影响光谱的准确度[9] 。
1. 3 终端控制模块
终端控制模块负责完成监测单元的采样控制、配水控制、清洗控制，以及GPS数据采集、水质监测数据采集和数据传输控制等功能。
设计选用三星公司生产的S3C2410处理器，HOLUX公司的M-89 GPS模块和SIMCOM 公司的SIM300C GPRS 模块。微处理器控制采样监测终端的动作、按照协议读取GPS定位信息和水质监测数据，数据由串口传至GPRS DTU，通过GPRS无线网络发送至监控中心。系统结构见图2。
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S3C2410是一款基于ARM 920T 内核的32位RS IC 嵌入式微处理器，系统扩展64MB 的K9F1208 Flash存储器、SDRAM存储器、复位电路、实时时钟等，用来存储操作系统、水质信息等，LCD用来显示采集的水质信息。InfraSpecVFA - IR分光仪测得的TN、TP水质数据经模数转换器ADCO传输至微处理器并发送到监控中心。存储单元M - 89 GPS模块通过串口以NMEA - 0183标准输出多种格式的定位数据，微处理器以中断方式实时接收，从定位语句中RMC 提取时间、经度、纬度数据。SIM300C 模块使用内嵌的TCP/IP协议与服务器进行远程通信，系统运行后配置数据传输率、系统IP地址、通信端口、APN(Access Po int Name) 等信息，连接计算机成功即进入数据传输阶段[10- 11] 。
1. 4 监控中心
监控中心是整个水质自动监测系统的指挥中心，用来接收、显示、分析各监测点的水质参数。监控中心通过无线网络管理终端控制模块，定时采集监测终端数据，建立水质数据库,以ArcGIS地理信息系统为平台进行地图制作，选用ESRI公司的Map Objects组件、VsualBasic6. 0 开发语言、Microsoft Access数据库开发水质数据管理信息系统，系统结构见图3[12- 13]。
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GIS系统通过串口通信接收GPRS 接收机发送的GPRS数据，对数据进行分析后，动态显示地图信息、GPS 监测点坐标、TP、TN 监测数据及水功能区划等信息。随着时间的延长、水环境数据库的丰富，还可以通过应用模型实现水质评价、富营养化评价及水环境容量计算等功能，实现趋势分析和模拟预测,为各级环境管理部门提供决策所需的信息。
2 结语
利用近红外光谱NIR测定技术无损、快速的优势进行太湖水质监测，借助GPS工具、覆盖范围广的GPRS网络实现监测数据的精准、连续、在线的传送，以地理信息系统G IS为平台开发水质数据管理系统，可实现监测点水质数据的动态显示、计算与分析。系统水质监测数据丰富、采样监测终端维护方便、可以方便地处理水环境的日常监测，通过数学模型及时地分析各类水质指标，能实时、迅速、准确地反映太湖水质状况，提高水质监测、管理的水平。
参考文献:
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作者简介: 董晓岚(1980- )，女，江苏苏州人，讲师，硕士，研究方向为CAD /CAM /CAE集成。
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