基于虚拟仪器的污水水质在线监测系统

摘要：为了监测生产和生活中的污水排放情况，通过对虚拟仪器的介绍，应用LaLbVIEW软件稳定快速地对污水的流量、液位、温度、pH、BOD、COD、TOC、TOD、氨氮和总磷等各个参数进行基于无线网络的数据采集，然后在数据中心进行实时显示和综合分析，为污水水质的在线监测提供了一整套完整可靠的系统。经测试，系统运转良好，达到了预期效果。
关键词：虚拟仪器；LabVIEW；污水水质；在线监测

    水是人类生产生活中不可缺少的物质资料，是宝贵的自然资源。在日常生活、工业生产中扮演着重要角色。随着人类社会的发展，对水资源的过度开采和使用，水污染问题越来越严重，已经引起了各国的注意。为了掌握水体资源的变化程度，各国加强了对污水排放的处理和更加高标准的污水管理。随着工业生产的迅速发展，使得工业污染日益增加，水环境污染问题变得日益严重。近年来，我国水环境质量虽有所改善，但环境污染仍处于相当高的水平。随着水环境污染的加剧，对水环境质量及变化趋势进行大量实时、准确地监测是当前水处理工作面临的难题和新的挑战。
    由于较高要求的污水排放标准，就需要对污水水质进行实时的精密监测。以前靠人工的方法来监测，这种方式需要的人力资源很大，并且监测时间长，误差大，由于不同技术员监测数据，主观因素比较强，稳定性差，可靠性低，已远远不能满足人们的要求。本文利用虚拟仪器技术设计了一个新型的污水在线实时监测系统，可以通过无线技术把远处的传感器数据传送到数据中心，然后再进行综合分析，得出科学、实时的水质信息，为污水治理、环境监测起到了极大的推动作用。

1 虚拟仪器简介
    虚拟仪器充分利用计算机快速运算、方便存储、形象显示及灵活多样的特点，把计算机作为仪器的基本硬件平台，把传统仪器的专用功能和硬件功能软件化，使传感器与计算机结合起来，形成新型仪器。这两者融为一体，构成了一台仪器，功能与传统硬件仪器相近，甚至更加强大，性能更加稳定。
    虚拟仪器由美国国家仪器公司提出，经过多少年的发展，现在已经相当成熟。它除了能完成传统仪器的所有功能外，还能完成更加强大的功能扩展。把以前由厂家决定的仪器功能转变为让用户自己选择和决定仪器功能。同时仪器使用的范围和使用更加灵活，可以同时按用户要求和使用环境修改。

2 数据采集系统的硬件实现
    污水的在线监测项目主要包括流量、液位、温度、pH、BOD5、COD、TOC、TOD、氨氮和总磷等。对于这些量的监测，环境比较复杂，不可能在靠近中控室附近．所以本文中应用了无线数据传输技术，把传感器测量到的数据通过无线网络传输，送到数据中心进行集中处理，方便了数据综合分析，可以灵活的安装传感器，不再受位置影响。
    这里应用的无线网络模块是X124L01，此无线网络模块可以支持2 M的数据量，能够很好的解决大数据量的问题。通过无线网络获取数据后，在调理板进行数据的调理及转换。然后通过USB数据采集卡送到计算机，如图1所示。

3 数据采集系统的软件实现
3．1 软件系统结构
    系统主要具有以下6个功能：
    1)基本信息管理功能管理用户的权限内容，以及用户自身的个人信息，如密码和中文名的修改，同时可以管理个人的收藏夹，对于重要的数据报表能够生成一份自己的存档。
    2)远程监测功能 远程传输现场的实时场景，监测现场仪器的运行状态，并且保存运行状态记录。
    3)数据存储、查询、发布和统计功能采集到的数据经分析处理后存储到本地数据库，可以实现全部数据查询、按时间查询以及按数字量查询的查询功能，并对数据记录进行添加、修改和删除，还可生成报表。
    4)超限报警功能通过设置各参数仪表量程和超标界限能够提供多样化、灵活的报警功能，当检测到参数值超限时报警灯点亮，可以保障现场设备安全稳定的运行。
    5)小波滤波功能可以消除在数据采集过程中真实信号受到干扰噪声的影响，保证数据采集系统的精度。
    6)智能决策功能能够通过对输入的大量数据进行逻辑分析，并且与经验知识库中的数据进行匹配，利用当前的数据对未来的发展趋势做预测，这种预测是建立在对数据的综合分析以及大量实际经验的基础上，具备一定的准确度，能够为最终决策提供意义重大的指导作用。
    上位软件的实现是系统的关键，这里应用了LabVIEW软件进行编程实现。对于污水在线监测系统，先要进行数据采集。本文通过数据采集卡USB2832对所有物理量和化学量和进行信号采集，然后再送到计算机进行各个参量的监测及记录。软件系统结构如图2所示。

3．2 软件设计
    LabVIEW软件是图形化编程软件，分为用户显示前面板和程序控制后面板两部分。前面板用于放置结果及输入控件，主要是完成用户交互相当于仪表操作面板：后面板主要进行数据分析及处理，相当于传统仪器的控制主板。
    本文先要进行采集数据的处理，对数据处理后，分析出相关的量送到对应的显示控件显示，并按用户操作进行相应的处理。采集到的数据从缓存中读取后，是存放在一维数组中。这些数据是按变量0、变量1…，变量15、变量0、变量1…这样重复的方式保存。LabVIEW软件有丰富的函数，直接应用现成的一个数组抽取函数，把一维数组分解为16个一维数组，每一个数组分别表示一个变量值。同时，要对数据进行指定类型的滤波，以消除不需要的干扰。滤波使用的是中值滤波器和贝塞尔滤波器等，滤波可以除去传感器波动干扰和延时干扰，得到平滑稳定曲线。采集实时数据显示如图3所示。

    在系统中对获取的各个参量进行了上下限报警控制，方便系统在使用中能够安全预警。报警界面中，包括正常显示时状态指示灯和报警状态下的指示灯。这里指示灯以不同颜色显示不同状态，当在正常范围内显示绿色，在发出报警时显示红色。这一功能的实现是通过指示灯控件来实现的，如图4所示。

    同时对数据实时进行了预测，方便在使用中对未来数据按照当前的状态进行趋势预测，以提前采取手段进行处理。还利用无线摄像头，对污水表面进行远程监视。这里使用了相机OCX控件进行控制，可以实现对实时图像显示、拍照、相机调节等，如图5所示。在系统中同时还导入了GIS数据库，可以进行指定区域的搜索与定位，方便了对不同区域水质进行对比监测。

4 结论
    虚拟仪器是传感器和计算机技术快速发展的产物，是人们对信息快速获取及综合分析必须的趋势，是污水水质在线监测高效率解决方案的最佳工具。基于LabVIEW的工业污水水质在线监测系统具有一个非常人性化的人机界面，功能全面、操作简单方便，实现了工业污水水质多参数的整合监控与管理。经测试，系统运转良好，达到了预期效果，至此可以得出如下结论：
    1)可以快速获取远程污水的TOC、COD、BOD等各类参数信息从而进行实时显示，利用数据库管理系统实现管理大量的实时数据，且有计算机硬盘作为存储容器，可把相当长时间的数据存储下来，方便日后查阅分析，并能够进行及时准确的报警提示。
    2)能够结合历史数据，绘制综合曲线图，方便准确的进行数据的综合分析，并能预测未来数据趋势，做到提前调节及准备应对方案等，在实际使用中效果很理想。
    3)可以实时通过远程视频监测各类情况，也可以通过GIS信息数据库，进行不同区域的信息比对和综合分析。