基于光电复合传感器的重金属检测及无线通讯系统设计

摘要

工业发展导致的重金属对水质的污染不但损害着人类的健康，而且给生态环境带来了严重的破坏。如何检测湖泊、海洋等水质的重金属含量成了当务之急。随着无线传感器网络(WSN)概念的发展，其越来越多的应用到了环境检测中去。本文结合了无线技术，基于重金属传感器设计了一套水质重金属的检测系统。所作的工作如下：
　　 本文首先介绍了重金属的危害和当前重金属检测的一些技术和解决方案。接着，研究了应用于重金属检测的常规电极、微电极阵列和光寻址电位传感器(LAPS)以及光电复合传感器的原理和检测方法，并对重金属无线检测系统做了系统设计。在数据处理模块，使用了有限脉冲响应滤波器(FIR)对不同信噪比的信号进行了滤波；提出了光电复合传感器的多元线性回归模型；研究了溶液背景对检测结果的影响，提出了对原始信号加窗去基线的方法；并使用了偏最小二乘法进行离子浓度识别。最后通过实际数据验证了算法的有效性和实用性。
　　 重金属无线检测系统分为无线检测节点和无线节点管理软件。无线检测节点主控板是ARM9，采用的是嵌入式Linux操作系统。ARM主控板中运行着网络服务程序和测控板控制程序，共同完成与节点管理软件的交互。它们接收节点管理软件发送的测量命令，并且能够回传检测到的数据。无线节点管理软件使用跨平台的Qt库实现，能够运行在Windows或Linux平台上，其采用多线程技术对网络数据进行监听。它的主要功能是无线节点发现、检测节点测量过程控制和数据接收与分析。
　　 最后，文章介绍了重金属无线分析系统以及船载重金属分析仪的实际应用情况，并对无线覆盖距离、软件性能、节点运行情况进行了初步的分析和测试。实践表明我们的系统能够达到设计要求。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 水体重金属污染现状

1.1.1 重金属对人体的危害

1.1.2 湖泊、海洋水体重金属污染现状

1.2 水体重金属检测技术

1.2.1 实验室检测技术

1.2.2 重金属在线检测技术

1.2.3 重金属无线检测技术

1.3 本文研究内容

第二章 无线检测系统设计

2.1 重金属检测传感器的研究

2.1.1 电化学传感器

2.1.2 光寻址电位传感器

2.1.3 光电复合传感器

2.2 检测系统硬件设计

2.2.1 光寻址电位传感器检测系统

2.2.2 电化学传感器检测系统

2.2.3 泵阀控制与进样系统

2.2.4 主控制板与网络通信模块

2.3 无线检测系统软件设计

第三章 数据处理与算法

3.1 噪声去除算法

3.1.1 噪声的来源和分类

3.1.2 Savitzky-Golay数据平滑

3.1.3 数字滤波器

3.1.4 应用和比较

3.2 基线校正

3.2.1 切线识别法

3.2.2 局部最大值法

3.2.2 基线变化对峰值判别的影响

3.2.4 加窗校正基线

3.3 复合传感器的多元线性回归模型

3.3.1 多元线性回归理论基础

3.3.2 多元线性回归的应用

3.3.3 实验结果验证

3.4 离子浓度识别

3.4.1 正交试验原理

3.4.2 偏最小二乘法概述

3.4.3 PLS的建模和算法实现

3.4.4 偏最小二乘法的离子浓度识别

第四章 嵌入式无线节点软件设计

4.1 嵌入式系统环境搭建

4.1.1 嵌入式系统开发模式和流程

4.1.2 嵌入式Linux系统的移植

4.2 无线节点通信控制模块

4.2.1 嵌入式Linux的串口开发

4.3.1 泵阀控制模块设计

4.3.2 检测板测控服务进程

4.3 无线节点网络模块

4.3.1 TCP/IP协议簇简介

4.3.2 Linux下Socket编程

4.3.3 无线节点服务端设计

4.3.4 无线数据发送

4.4 无线节点任务管理

4.4.1 Linux的进程控制

4.4.2 无线节点的进程通信

第五章 无线节点管理软件设计

5.1 基于Qt的GUI应用程序开发

5.1.1 Qt简介及优点

5.1.2 Qt的signal/slot机制

5.1.3 Qt的框架结构

5.2 无线网络通信模块

5.2.1 无线链路测试模块

5.2.2 多线程网络模块

5.3 参数设置与时序执行

5.3.1 电化学及LAPS测试参数设置

5.3.2 IP地址的配置

5.3.3 测量时序执行

5.4 数据处理及显示模块

5.4.1 QWT库的应用

5.4.2 基线手动判别

5.4.3 出峰位置手动判别

第六章 重金属分析系统的应用

6.1 重金属无线分析系统应用

6.1.1 无线节点距离测试

6.1.2 无线分析节点的应用

6.1.3 无线检测系统实验

6.2 重金属船载分析仪应用

6.2.1 电极的选取

6.2.2 仪器的通信及控制

6.2.3 海洋现场试验结果分析

第七章 总结和展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

作者简历及在硕士研究生期间的科研成果