無(wú)線(xiàn)水質(zhì)監測系統

簡(jiǎn)介

飲料生產(chǎn)、制藥廠(chǎng)、廢水處理廠(chǎng)等多個(gè)行業(yè)都依靠水質(zhì)監測系統對重要水質(zhì)指標進(jìn)行測量和控制。定義水的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性的參數可作為水質(zhì)指標。例如：

◆   物理：溫度和濁度

◆   化學(xué)：pH值、氧化還原電位(ORP)、電導率和溶解氧

◆   生物學(xué)：藻類(lèi)和細菌

本文重點(diǎn)討論歷來(lái)不可或缺但不可靠而造成實(shí)施負擔的化學(xué)測量參數。電化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)分支，通過(guò)測量電子從一種反應物到另一種反應物的轉移來(lái)表征還原-氧化反應的行為。電化學(xué)技術(shù)可以直接或間接用于檢測和測量上述水質(zhì)指標。電化學(xué)測量系統主要由兩個(gè)模塊組成：

◆   傳感器：一種用于測量水質(zhì)指標并產(chǎn)生相應電信號的器件。

◆   測量和處理單元：測量和處理電信號的電路。

通常整個(gè)加工廠(chǎng)中部署單獨的有線(xiàn)傳感器?，F場(chǎng)傳感器需要經(jīng)常清洗、校準和更換。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可減少一些這樣的負擔，但通常被認為不夠可靠，不能部署在這些應用的惡劣環(huán)境中。

隨著(zhù)科技的發(fā)展，現在采用新的測量和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可以實(shí)現高可靠性無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )。本文介紹一款演示平臺，它將 ADuCM355 的通用傳感器接口功能與ADI公司的 SmartMesh^? IP 技術(shù)線(xiàn)狀可靠性相結合，構成穩健的低功耗無(wú)線(xiàn)水質(zhì)監測系統，專(zhuān)用于水質(zhì)指標pH值測量。將該原理輕松擴展到其他電化學(xué)參數，可以針對每個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)形成一系列水質(zhì)測量。

圖1.典型電化學(xué)測量系統。

pH值測量和pH探針

pH值是衡量水溶液中氫離子和氫氧化物離子相對量的一項指標。中性溶液指氫離子濃度正好等于氫氧化物離子濃度的溶液。pH值是表示氫離子濃度、衡量溶液酸堿度的另一種方式，定義如下：

其中H+是氫離子濃度（單位：摩爾/升）。

溶液的pH值為0至14，中性溶液的pH值為7，酸性溶液的pH值小于7，堿性溶液的pH值大于7。

pH探針是由玻璃電極和參考電極組成的電化學(xué)傳感器。

圖2. pH探針

將pH探針插入溶液中時(shí)，測量電極會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓取決于溶液的氫離子活性，然后該電壓與內部參比電極的電位進(jìn)行比較。測量電極和參比電極之間的電位差就是測得的電位，用能斯特方程表示為：

其中：

E是電極電壓，活性未知 a = ±30 mV，零點(diǎn)容差

T為環(huán)境溫度(°C)

n = 1 at 25°C, valence (number of charges on ion) F = 96485 coulombs/mol, Faraday constant

n = 1(25°C)，價(jià)（離子上的電荷數）F = 96485庫侖/摩爾，法拉第常數

R = 8.314伏特-庫侖/°K摩爾，理想氣體常數

pH = 未知溶液的氫離子濃度

pHISO = 參比電解質(zhì)的氫離子濃度；請參閱探頭文檔；典型pHISO = 7

此方程表明產(chǎn)生的電壓以已知方式隨pH值變化。還表明產(chǎn)生的電壓與溶液溫度成正比。隨著(zhù)溶液溫度上升，兩個(gè)電極之間的電位差增大，反之亦然。理想的pH探針在25°C下會(huì )產(chǎn)生±59.154 mV/pH單位。

溫度變化也可能改變測量電極的靈敏度，進(jìn)而引起測量誤差。該誤差是可預測的，并且可通過(guò)全溫度范圍內的探針校準和后續測量期間的溫度校正來(lái)解決。溫度傳感器通常集成到pH探針中。溫度傳感器可以是負溫度系數(NTC)熱敏電阻或RTD，如PT100或PT1000。圖3所示為帶有溫度傳感器的pH探針。

圖3.帶有溫度傳感器的pH探針。

如果溫度傳感器測量到溫度變化，則會(huì )向最終的pH讀數應用校正系數，然后儀表將顯示校正后的更準確的讀數。該機制能夠很好地補償由于溫度變化引起的pH值誤差。

圖4.集成溫度傳感器連接到ADuCM355的pH探針。

采用ADuCM355的pH測量單元

這是業(yè)界高度集成的先進(jìn)化學(xué)傳感器測量前端，它為pH值測量提供了一個(gè)平臺解決方案，并且將所有必要的測量功能與低功耗微處理器相集成。ADuCM355是一款低功耗測量平臺，尺寸很小，足以集成在傳感器外殼內，而功能和性能堪比臺式儀器。圖4顯示了ADuCM355的pH值測量板，其中的BNC和RCA連接器用于連接pH探針和溫度傳感器。該測量板來(lái)自 CN-0428  參考設計，更多相關(guān)詳情見(jiàn)圖5。

圖5.具有BNC和RCA連接器的ADuCM355 pH值測量PCB。

將pH值測量傳感器節點(diǎn)連接到SmartMesh

通過(guò)將ADuCM355和ADI SmartMesh收發(fā)器相結合，我們創(chuàng )建了一個(gè)小型低功耗pH值測量傳感器節點(diǎn)。ADuCM355將測得的pH數據作為數字輸出。然后，該數字數據通過(guò)UART連接到ADI的LTP5902 SmartMesh IP無(wú)線(xiàn)收發(fā)器。 LTP5902 通過(guò)SmartMesh網(wǎng)絡(luò )將數字數據傳輸至SmartMesh IP管理器。

圖6.PH傳感器連接到ADuCM355和SmartMesh無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)。

SmartMesh是ADI基于IEEE 802.15.4e標準的專(zhuān)有2.4 GHz多跳無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )解決方案。其包括AES 128加密和身份驗證，從而提供可靠的端到端安全性。它具有超低功耗和高能效，使每個(gè)傳感器節點(diǎn)都可以通過(guò)電池供電運行。

SmartMesh網(wǎng)絡(luò )使用時(shí)隙信道跳頻(TSCH)鏈路層進(jìn)行通信，該鏈路層可提供三重播放冗余。SmartMesh網(wǎng)絡(luò )管理器（網(wǎng)關(guān)的一部分）全天候協(xié)調計劃，管理安全性，執行無(wú)線(xiàn)編程(OTAP)，并自動(dòng)優(yōu)化連接。該網(wǎng)絡(luò )管理器還通過(guò)API提供詳細的網(wǎng)絡(luò )運行狀況報告。對于小型網(wǎng)絡(luò )，一個(gè)嵌入式管理器可支持多達100個(gè)傳感器節點(diǎn)（也稱(chēng)為終端）。而VManager支持多達50,000個(gè)節點(diǎn)的大型安裝。

圖7.傳感器節點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )IP管理器在網(wǎng)關(guān)內的SmartMesh網(wǎng)絡(luò )。

嚴格的網(wǎng)絡(luò )壓力測試可確保99.999%以上的數據可靠性，使SmartMesh成為工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的理想解決方案，能夠保持高網(wǎng)絡(luò )可靠性，同時(shí)不丟包。

無(wú)線(xiàn)水質(zhì)監測系統：

圖8所示的無(wú)線(xiàn)水質(zhì)網(wǎng)絡(luò )演示包含：

◆  四個(gè)傳感器節點(diǎn)：

■      每個(gè)傳感器節點(diǎn)都包含一個(gè)現成的玻璃電極pH探針，并且集成溫度傳感器連接到ADuCM355和SmartMesh IP終端，如圖6所示。

■      pH探針檢測pH值，ADuCM355執行測量和計算，并以數字輸出提供測得的pH值，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)SmartMesh網(wǎng)絡(luò )傳輸至SmartMesh IP管理器。

■      SmartMesh IP管理器通過(guò)USB連接到PC。

◆  此系統中的網(wǎng)關(guān)由PC執行。該PC安裝了Node-Red和SmartMesh SDK。  SmartMesh SDK用于創(chuàng )建JavaScript object notation (JSON)服務(wù)器以存儲該數據，JSON服務(wù)器連接到Node-RED。Node-RED用于顯示從每個(gè)傳感器節點(diǎn)測得的pH數據，并允許連接到IBM Watson、Amazon AWS等云服務(wù)。

圖8.使用ADuCM355和SmartMesh的無(wú)線(xiàn)水質(zhì)監測系統。

硬件設置

出于演示目的，我們使用的是錯列三格魚(yú)缸，水從頂格流到后面每格。每格中都插入一個(gè)pH傳感器探針。我們在遠處參考溶液中放置了第四個(gè)探針（圖9未顯示），以表示SmartMesh遠程無(wú)線(xiàn)通信。當我們改變頂格中溶液的pH值時(shí)，Node-RED上的數據隨之更新，顯示新的pH值。由于新的pH溶液從頂格流到后面每格，其他兩個(gè)pH傳感器也會(huì )更新其測量值，屏幕上顯示其數據。由于第四個(gè)傳感器位于pH值沒(méi)有變化的參考溶液中，因此該傳感器的讀數不變。以下各節提供了有關(guān)Node-RED和測得數據的更多信息。

圖9.無(wú)線(xiàn)水質(zhì)網(wǎng)絡(luò )。

測量數據：

4個(gè)傳感器節點(diǎn)的pH測量值通過(guò)Node-RED顯示在PC上。

Node-RED是一個(gè)具有Web瀏覽器的編程工具，允許連接硬件設備、API和其他在線(xiàn)服務(wù)。演示的JSON流如圖11所示。

圖10.傳感器節點(diǎn)。

結論

本文介紹使用ADI的ADuCM355和SmartMesh IP技術(shù)的無(wú)線(xiàn)水質(zhì)監測系統。這些產(chǎn)品具有小尺寸和低功耗特性，因此傳感器節點(diǎn)可以由電池供電。即使在惡劣的外部環(huán)境中，采用穩健的SmartMesh技術(shù)也能可靠地傳輸數據。該演示說(shuō)明了一個(gè)高度可靠的無(wú)線(xiàn)監測系統以及云連接。對于不同的最終應用，都極具應用前景，利用該技術(shù)，不僅能夠在難以接近的位置監測水質(zhì)，為不同的水質(zhì)閾值創(chuàng )建警報和警告，還能夠利用測量數據持續獲得更多可靠的水質(zhì)信息。

圖11.JSON流。

參考文獻

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@Pd2019S?！?a style="text-decoration: none;">傳感器4的pH值為6.877，時(shí)間戳2019-11-06 18:13:55.593000?！?/p>

Twitter，2019年11月，下午6:13。

圖12.無(wú)線(xiàn)水質(zhì)演示儀表板。

致謝

在此感謝Scott Hunt和Bill Lindsay在演示開(kāi)發(fā)期間提供的幫助，以及撥冗審閱本文。同時(shí)感謝Dan Braunworth和Dan Burton幫助審閱和校對本文，并提出了寶貴的意見(jiàn)和建議。

圖13. IBM Watson上顯示的pH測量數據。

作者簡(jiǎn)介

Piyu Dhaker是ADI公司北美中心應用部的一名應用工程師。2007年畢業(yè)于圣何塞大學(xué)，獲電氣工程碩士學(xué)位。2017年6月加入北美核心應用部門(mén)。她還曾在A(yíng)DI的汽車(chē)動(dòng)力總成部和電源管理部工作。

圖14. pH測量數據推文。

您也可以在 此處 查看演示記錄。