多通道原位营养盐监测系统设计

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　　摘  要： 现有的营养盐监测体系一般为单通道回路，且测样流程耗时大，回路之间存在污染，严重影响了传感器的工作效率和准确度。为此，在现有监测体系的基础上设计一种以高级单片机STM32F401为控制核心的多通道原位营养盐监测系统。该系统整体基于微流控芯片技术的流路体系，采用模拟锁相放大电路+变步长LMS（最小均方算法）自适应滤波算法用于微弱信号的检测提取，最终实现海水营养盐的多通道原位实时监测。长期的试验数据表明，该多通道原位监测系统对于提高营养盐监测效率和准确度具有非常重要的意义。
　　关键词： 营养盐原位监测; 多通道回路; 实时监测; 微流控芯片技术; 微弱信号提取; 数据分析
　　中图分类号： TN911.23?34; TP391.8             文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）02?0087?03
　　Design of multi?channel in?situ monitoring system for nutrient salt
　　LIU Jie， LIU Yan， CAO Xuan， MA Ran， ZHANG Shuwei
　　Abstract： In the existing nutrient salt monitoring system， the single channel loop is adopted in general， which may result in great time consumption and pollution between the loops in the process of the sample detection， and seriously influences the working efficiency and accuracy on the sensor. Therefore， a multi?channel in?situ nutrient salt monitoring system taking STM32F401 as the control core is designed based on the existing monitoring system. On the basis of the flow path system of the micro?fluidic chip technology， the analog phase?locked amplification circuit plus variable step size LMS adaptive filtering algorithm is used in the system for the detection and extraction of weak signals， so as to realize the multi?channel in?situ monitoring of seawater nutrient salt in real time. The long?term experimental data show that the multi?channel in?situ nutrient salt monitoring system is of great significance for improving the efficiency and accuracy of nutrient salt monitoring.
　　Keywords： nutrient salts in?situ monitoring; multi?channel loop; real?time monitoring; micro?fluidic chip technology; weak signal extraction; data analysis
　　0  引  言
　　目前，海水营养盐的监测方法主要是根据海洋监测规范（GB 17378—2007），采用现场采样实验室测定法[1?2]。国内大多数营养盐分析仪在结构上均采用单通道流路，即五项参数的测定共用一套流路系统，这样就不可避免地存在测样时间长、不同参数测定时交叉污染等缺点[3?4]。
　　为克服以上缺点，本文设计了一种基于高级单片机STM32F401的多通道原位营养盐监测系统。该营养盐分析仪完成整个测样和冲洗时间仅仅需要25 min左右，得到的硅酸盐、磷酸盐、铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐的线性范围分别为10～1 000 μg/L，10～300 μg/L，10～500 μg/L，5～250 μg/L，10～500 μg/L，最低检出限分别为3.05 μg/L，2.56 μg/L，1.82 μg/L，0.85 μg/L，3.03 μg/L。
　　1  海水营养盐多通道监测系统设计
　　1.1  系统准确性、可靠性相关技术研究
　　1.1.1  基于微流控芯片技术的流路体系设计
　　本文在流路体系上采取国际上先进的基于微流控芯片技术的阀岛体系[5]，营养盐五项参数流路在一块微流控芯片中就能实现不同流路的切换。通过微型三通电磁阀组和0.1 r/m精度步长的微型蠕动泵，将海水样品和指示剂切换抽取到定量环中，使得试剂量能够达到μg级的精准控制，然后将两个定量环连接起来形成闭合环路并以一定的比例混合后反应[6]。充分反应后，打开相应的窄带波长LED，十字型流通池中混合指示剂水样的吸光度通过硅光电二极管被检测到[7]。光度检测光路设计上采用三进二出的光纤耦合装置，即将每一路光路分为两路，其中一路作为主信号，另一路作为参比信号，以此消除入射光不稳定等干扰源的影响[8]。 　　1.1.2  基于STM32F401的电路系统设计
　　电路系统整体采用1主控板+4信号板+1电源板的配搭方式。主控板控制核心采用业界流行的32位微处理器STM32F401，其工作频率可达84 MHz。该处理器包含了自适应实时加速器和浮点运算单元，能实现本文的变步长LMS算法。信号板主要包括光源驱动模块、模拟锁相放大模块等。电源板采用LDO和DC?DC产生稳定的直流电压供主控板和信号板使用。电路系统的整体设计框图如图1所示。
　　1.2  信号处理关键技术研究
　　1.2.1  模拟锁相放大电路设计
　　模拟锁相放大电路主要包括三部分：前置可调增益放大电路、相敏检测电路及二阶低通滤波电路。光电二极管的输出电压通过可调增益放大电路对光电信号进行放大;相敏检波电路进行乘法运算以输出直流信号和倍频信号;二阶低通滤波电路则用于滤除高频信号，输出直流信号给16位ADC进行模/数转换。设计原理图如图2所示。
　　1.2.2  变步长LMS自适应滤波算法研究
　　传统的LMS算法收敛速度较低，要提高收敛速度就必须提高步长[μ]，[μ]过大会导致较大的稳态误差从而使结果包含更多的噪聲[9]。针对这一矛盾，本文用变步长[μn]替代固定步长[μ]。变步长滤波的主要过程为：在保证收敛的前提下，以实时误差[en]为依据对[μn]进行实时调整，使[μn]最符合当前条件的取值。本文提出了一种基于正弦函数的步长变换方式。其表达式为：
　　[μn=βn1-sin [π·αn·en]π·αn·en]
　　在正弦函数的基础上，本文增加了两个变参数[αn]，[βn]使设计达到结果收敛。本文选择以[en]与[en-1]的比值作为[αn]的取值，即：
　　[αn=enen-1]
　　[βn]的取值会直接影响到自适应滤波的收敛稳定性，所以采取减小[βn]的变化程度，即降低[en]对[βn]的影响程度，[βn]的迭代公式为：
　　[βn=1-λβn-1+λΔen]
　　式中，0<[λ]<1，[λ]最好取值接近于0，保证在[Δen]变化较大时[βn]的幅度变化较小。
　　在Matlab中，以[yt=sin2πt100]为原始信号，滤波器阶数设定为10，采样点数为500，仿真波形如图3所示，横、纵坐标分别表示采样点数和幅值。前两行分别是原始信号和含噪信号的波形，第三、四行分别是采用变步长、定步长LMS算法后的波形，[λ]取值0.02。
　　两种算法的误差变化对比图如图4所示。其中，横、纵坐标分别表示采样点数和误差值;蓝、红色波形图分别表示定步长、变步长LMS算法的误差变化。结果表明，变步长LMS算法在收敛时间上大大缩短，在逼近速度上更为快速，极其适用于微弱信号检测提取场合。
　　2  系统数据分析
　　2.1  实验室数据分析
　　将两种已知浓度的海水样品用多通道营养盐传感器测样3次取平均值，依据相对误差公式[δ=ΔL×100%]计算相对误差和相对标准偏差。计算结果见表1。由表1可知，磷酸盐、铵盐和亚硝酸盐的相对误差小于±5%，硅酸盐和硝酸盐的相对误差小于±6%;硅酸盐、铵盐和亚硝酸盐的相对标准偏差在3%以内，磷酸盐和硝酸盐的相对标准偏差在5%以内。多通道营养盐监测系统的准确度和精密度完全适用于海水样品在实验室条件下的快速分析。
　　2.2  比测数据分析
　　将本文设计的多通道营养盐传感器放置于本单位位于青岛中苑码头（坐标36°06′N，120°31′E）的3 m浮标上进行为期1个月的现场比测，每日9：00和15：00各比测1次。同时根据GB 17378.4—2007，采集现场海水并用紫外?可见分光光度计（Agilent Cary 100）进行实验室分析[10]。比对结果如图5所示，本文研制的多通道营养盐监测系统仪器法和国标法所得结果基本一致，可以对海水营养盐含量的变化情况做出有效的评估。
　　3  结  语
　　本文对原位营养盐在线监测技术在工艺流路体系、硬件电路设计及软件滤波算法等方面提出一种新的实现方法，能实时、准确反映海洋生态环境的综合指标，弥补了现有监测方法测样时间长、数据不够准确等缺点，符合我国海洋生态环境监测的实际需求。国标法与原位法比对结果表明，本文设计的多通道原位营养盐监测系统是一种稳定、高效的解决方案，不仅能用于实验室快速分析，尤其适用于浮标、科考船、台站等体系的长期原位监测，对海洋生态环境的监管以及更广泛地开展海洋调查提供了可靠的保障。
　　参考文献
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　　[10] 郭翠莲，程永强，褚东志，等.海水五参数原位营养盐分析仪的研制[J].山东科学，2018，31（2）：1?8.
　　作者简介：刘  杰（1986—），男，山东滨州人，硕士研究生，工程师，研究方向为海洋生态环境监测技术、计算机测控技术。
　　刘  岩（1972—），男，山东青岛人，博士研究生，研究员，研究方向为海洋生态环境监测技术及装备。
　　曹  煊（1980—），男，山东青岛人，博士研究生，研究员，研究方向为海洋生态环境新型传感器技术。
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