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毕业设计(论文)-基于LabVIEW的海水水质监测系统的设计.doc
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第一章 绪论
1.1 我国水环境现状
目前,我国年均水资源总量为 28124 亿立方米,居世界第 6 位,但由于人口众多,
地域辽阔,人均水量仅为 2400 立方米,仅相当于世界人均的 25%,低于人均 3000 立方
米的轻度缺水标准,是世界上缺水的国家之一,且我国水资源在时空上分布不均。目前,
我国有 400 多个城市缺水,其中有 100 多个城市严重缺水。正常年份城市缺水 60 亿立
方米,日缺水量达 1600 万立方米。地下水多年超采,储量不足。预计 2010 年后,我国
将进入严重缺水期。
作为世界上第一人口大国和最大的发展中国家,我们在水资源使用和管理上,面临
着水资源短缺与水浪费并存、洪涝灾害与生态失衡并存、水环境污染与水管理不善并存
的突出矛盾.我国七大江河水系普遍受到不同程度的污染,其中尤以海河和辽河流域污
染为重。据有关资料显示:2002 年,七大水系 741 个重点监测断面中,29.1%的断面满
足Ⅰ—Ⅲ类水质要求,30%的断面属Ⅳ、Ⅴ类水质,40.9%的断面属劣Ⅴ类水质。2002
年,全国工业和城镇生活废水排放总量为 439.5 亿 m,比上年增加 1.5%,其中工业废
水排放量 207.2 亿 m,比上年增加 2.3%,城镇生活污水排放量 232.3 亿 m,比上年增加
0.9%.由于 80%以上的污水未经处理就直接排入水域,已造成 90%以上的城市水域严
重污染,近 50%的重点城镇水源不符合饮用水标准,就连城市地下水都有 50%受到严重
污染。水中有毒有害的有机物问题已经越来越突出,如致癌物的水污染问题,一些城市
饮用水中已有 20 多种致癌物。水资源不合理的开发利用,尤其是水污染的不断加重,
引起了政府的高度重视。
近几年来,国家逐步加大环境监测网络建设以提高环境监测能力,改善生态环境。
主要措施包括:加强污染物排放总量的监测,加快空气质量监测网络建设,完善主要流
域水质自动监测系统,加强近岸海域监测网能力、生态监测能力、监测信息传输能力等
方面的建设,环境自动监测能力有了很大的提高。从全国的环境监测数据来看,我国的
环境污染恶化的趋势已得到基本控制,环境质量有所改善,但是污染仍处于相当高的水
平。因此迫切需要大量的现代化的环境监测仪器,特别需要优质的自动监测系统和污染
源在线连续监测系统。
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1.2 环境监测仪的现状与前景
1.2.1 环境监测仪器的分类
1.通用的实验室分析仪器:包括光学类仪器,如可见紫外分光光度计、荧光光度计、
原子吸收光度计、等离子体光谱仪、X-射线荧光光谱仪和红外光谱仪;电化学类仪器,
如 PH 计、电导仪、库仑计、电位滴定仪、离子活度计和各种极谱仪;色谱类的仪器,
如离子色谱仪、气相色谱仪、高压液相色谱仪、色谱,质谱联机和液谱/质谱联机等。
凡分析实验室应有的仪器环境科学与监测实验室均需要。
2.专用监测仪器:空气—TSP、PMl0、MP25 采样器及其监测仪器(β-射线吸收,晶
体震荡天平);气体自动采样器:S02、N02,NO、NOX、03 和 CO 监测仪;水质监测方面:
测汞仪、测油仪、CODcr 测定仪、DO 仪、污水流量计和比例自动采样器等。
3.自动监测系统:空气地面自动监测系统;环境水质自动监测系统;工业污染源在
线连续自动监测系统;道路交通噪声自动监测系统等。
1.2.2 国产环境科学监测仪器存在的主要问题
国产专用监测仪、采样器数量上占有优势,基本可用,但附加值低,且监测数据多
为有线传输,对于监测点地理位置比较分散、偏僻、自然条件较差地方,采用有线传输
需要架设专线,成本太高。高质量的分析仪、专用监测仪器和自动监测系统多是国外引
进的,因此国产仪器占的份额很小。究其原因:一是大型国营企业运行机制问题,未发
挥好骨干作用;二是小企业蜂拥而上,缺乏技术缺乏资金,低水平重复的较多,仪器的
质量和性能均不能与国外进口仪器抗衡;三是研究院校与企业缺乏紧密合作机制,有技
术创新的、有资金脱节的,不能快速实现产业化;四是政府对开发研制环境科学仪器的
投资和风险投资不足。
1.2.3 环境监测仪器的未来市场需求
1.环境质量监测:全国环保系统及各部门、行业、企业已建监测站 4000 多个,从业
人员 6 万多人,还有几万个环境科研院所。近几年正是环境科学和监测分析仪器、装备
更新换代和提高水平时期,中央、地方政府和企业每年投资购买仪器装备约两亿人民币。
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87998109/bg3.jpg)
国家环保局计划要装备 400 多个国家网络监测站,350 多个环境信息中心,100 个城市
空气地面自动监测系统。项目包括:FMl0、S02、N02、O3、CO、风向、风速、温度、湿
度,约 100 个国控水质监测断面自动监测系统。项目包括:PH、温度、电导、浊度、溶
解氧、氨氮、总氮、总磷、CODcr、高锰酸盐指数,初步计划投资 15 亿人民币,其中国
家投资三分之二,地方投资三分之一。这不包括行业、地方和企业的监测站能力建设的
投资,各部门、各地方根据环境保护任务的需要另有自己的投资计划。
2.污染源监测:国家要对全国 1.8 万个重点污染企业实施主要污染物排放总量控制
和消减。以改善环境质量,因此要求 1.8 万个污染大户要逐步安装在线连续自动监测系
统。
污水监测主要包括;污水流量计、自动比例采样器、P11、CODcr、矿物油、氰化物
和氨氮等项目的自动监测系统,并实现计算机联网管理。废气监测主要包括:工业粉尘、
烟尘、烟气 S02、N02、CO 和烟气流速在线连续监测系统,实现计算机联网管理,加强
实时监控,这些都是较新的。成熟的国产仪器系统很少,而需求量比环境质量监测要大
得多,主要由污染企业购买。行业主要是电力、石油化工、建材、冶金、造纸、食品和
城市污水处理厂等,潜在的市场有数十亿至数百亿元。
3.遥感遥测仪器仪表:国家提出环境污染防治与生态环境保护并重的方针,要加强
生态环境保护,必须对我国生态环境进行监测。包括对荒漠、草原、森林、海洋、农业
生态环境进行监测,也需要对大气污染、水域污染(如海洋赤潮、溢油污染)及污染源进
行遥感遥测,还要建立卫星地面接受系统及卫星图片解析系统,对环境生态质量现状及
变化趋势进行分析,为国家环境生态保护与建设提供决策的科学依据。
1.3 水质监测的现状与前景
我国环境水质监测仪器以往主要依赖进口,从 2000 年开始,成熟的国产化设备才开
始在全国范围内大规模推广。我国的环境水质监测仪器厂家主要以民营为主,在成长初
期,规模普遍偏小,技术不够成熟,仪器的可靠性、稳定性不足,难以满足我国复杂的
水体环境和日益多样化的污染物监测需求。市场整体存在集中度不高、区域分割严重、
单一企业所占市场份额不大等问题。随着国家对环保产业的重视和水质自动监测网络体
系的建立,环境水质监测仪器厂家数量迅速增长,部分具备自主研发实力的企业发展壮
大起来,成为与国外知名品牌如美国哈希、日本岛津等相抗衡的仪器生产企业。根据中
国环保产业协会统计数据,我国环境水质监测行业企业 2004 年有 30 家,2009 年增加到
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100 家,增幅达到 233%,并诞生了如聚光科技(杭州)股份有限公司、河北先河环保股
份有限公司、广州市怡文环境科技股份有限公司、宇星科技(深圳)有限公司等业内领
先的企业。其中,河北先河环保股份有限公司已登录 A 股市场,成为业内为数不多的上
市公司,聚光科技(杭州)股份有限公司亦准备挂牌上市。
根据环保产业协会数据,2009 年,废水污染源监测行业市场规模 6.8 亿元。2009
年,地表水质监测行业市场规模 3.64 亿元。整个环境水质监测行业市场规模 10.44 亿
元。根据聚光科技(杭州)股份有限公司和河北先河环保股份有限公司公开披露的资料,
2009 年,聚光科技(杭州)股份有限公司的环境水质监测系统的营业收入为 3,912 万元,
河北先河环保股份有限公司的环境水质监测系统的营业收入为 2,012 万元。据此计算,
环境水质监测仪器市场中,聚光科技(杭州)股份有限公司的市场份额为 3.75%,河北
先河环保股份有限公司的市场份额为 1.93%。由此可见,业内企业仍在积极的跑马圈地
过程中,单一企业所占的市场份额不大,市场的集中度仍然不高。可以预见,随着市场
的快速增长,具备自主研发优势和市场拓展能力的企业将占据市场的制高点,更快速的
占领市场份额,做大做强。
1.4 课题意义和要求
通过对上述现状与前景的分析,我们可以知道环保机关和水产养殖业单位对新型海
水水质监测系统的迫切需求。本系统可使环保机关和水产养殖单位足不出户即能掌握辖
区监测点和污染源的监测指标信息,从而使环保机关和水产养殖单位的管理在机制上实
现从人工化向信息化的转变,克服了过去对各项环境指标的检测主要靠检测人员到现场
手工取样,带回实验室分析后再作出结论,周期长、效率低的问题,还可以提高对环境
的监测频次,克服过去由于监测频次低,所造成的后果是总结出来的环境质量和污染源
监测信息可信度较低的问题。这正是本课题提出的意义所在。
本论文主要实现了基于虚拟仪器技术的海水水质监测系统的设计。本系统通过 USB
数据采集卡可同时对水质的温度、pH 值、浊度、溶解氧 4 个参数进行实时数据采集,实
时数值显示与处理。根据功能要求进行功能规划,把整个系统分为传感器模块、调理电
路、数据采集卡以及上位机软件系统。本系统能够在虚拟仪器软件开发平台 LabVIEW 上
进行水质智能监控,主要包括以下功能:数据采集、上下限报警、采集数据保存、数据
回放。同时,系统软件采用了模块化的设计思想,使本系统能够方便的按照实际需求进
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行结构与功能上的升级,最大程度的方便用户。
1.5 LabVIEW 简介
1.5.1 电子测量仪器的发展
电子测量仪器发展至今,大体可分为四代:模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚
拟仪器。第一代模拟仪器,如指针式万用表、晶体管电压表等。第二代数字化仪器,这
类仪器目前相当普及,如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化
为数字信号测量,并以数字方式输出最终结果,适用于快速响应和较高准确度的测量。
第三代智能仪器,这类仪器内置微处理器,既能进行自动测试又具有一定的数据处理能
力,可取代部分脑力劳动,习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都是以硬件(或固化
的软件)的形式存在,相对虚拟仪器而言,无论是开发还是应用,都缺乏灵活性。第四
代虚拟仪器,它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物,是传统仪器观
念的一次巨大变革,是将来仪器产业发展一个重要方向。
1.5.2 虚拟仪器概述及其特点
虚拟仪器(virtual instrumention)是基于计算机的仪器,是美国国家仪器公司
(National Instruments Corp. 简称 NI)于 1986 年提出的。计算机和仪器的密切结合
是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式,一种是将计算机装入
仪器,其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的
日趋缩小,这类仪器功能也越来越强大,目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方
式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托,实现各种仪器功能。
虚拟仪器主要是指这种方式,它是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、
过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统。虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统
仪器由厂家定义,用户无法改变的模式,给用户一个充分发挥自己才能、想象力的空间。
用户可以根据自己的要求,设计自己的仪器系统,满足多样的应用需求。
与传统仪器相比,虚拟仪器有以下优点:
1.突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制,大大增强了传统仪器的
功能。高性能处理器高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的 标准配置。
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