AI驅動(dòng)pH監測解決方案實(shí)現更清潔的水資源

在全球共同應對氣候變化及環(huán)境挑戰的過(guò)程中，清潔水和健康土壤等關(guān)鍵資源的獲取仍是亟待解決的重要的全球性問(wèn)題。聯(lián)合國的統計數據顯示，全球仍有超過(guò)40%的人口缺乏足夠的清潔、安全的飲用水和基本衛生服務(wù)。

在步入人工智能（AI）時(shí)代后，一個(gè)不可回避的問(wèn)題隨之而來(lái)：AI能否為這場(chǎng)水資源危機提供解決方案？隨著(zhù)邊緣AI技術(shù)的興起，憑借高質(zhì)量數據支持和強大的機器學(xué)習推理引擎，實(shí)現實(shí)時(shí)資源質(zhì)量監測已成為可能。AI驅動(dòng)的傳感器與數據分析技術(shù)可實(shí)時(shí)監測水質(zhì)參數，并自動(dòng)調控水系統，根據動(dòng)態(tài)變化的情況優(yōu)化水資源的分配與使用?；贏(yíng)I的系統不僅提高了運營(yíng)效率，減少了水資源浪費，還促進(jìn)了自適應水資源管理。

pH值測量參數可用于水質(zhì)分析，這也是恩智浦技術(shù)賦能的一個(gè)用例。了解pH值是評估水質(zhì)或土壤質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。幾乎所有處理液體的行業(yè)都需要pH值測量系統。在水質(zhì)分析中，pH值尤為重要，因為它反映了水的酸堿度，對營(yíng)養物質(zhì)和重金屬等化學(xué)物質(zhì)的溶解度與生物利用度具有顯著(zhù)影響。這一分析提供了關(guān)于水質(zhì)如何直接影響水生生物健康及水體整體環(huán)境質(zhì)量的寶貴洞察。

恩智浦為pH測量提供了邊緣AI就緒的解決方案，其中恩智浦模擬前端（AFE）能夠快速、準確且可靠地生成pH計數據，為利用機器學(xué)習算法實(shí)現實(shí)時(shí)水質(zhì)監測提供了技術(shù)支持。

先進(jìn)的水質(zhì)分析解決方案

下圖為一種用于分析水pH值和電導率的電路概覽圖。該應用包含兩個(gè)電極：

1.一個(gè)是CE電極，如下圖1所示。 使用DAC生成復雜的低速波形（10Hz至100Hz）。通常情況下，需要在DAC輸出后接入功率放大器，以驅動(dòng)電解液中的浮動(dòng)電極。偏置電極能夠在電解液中引發(fā)化學(xué)反應或產(chǎn)生氫離子活性。

2.另一個(gè)是RE電極（參比電極），如下面的圖1所示。參比電極具有穩定的參考電壓，向功率放大器的反相輸入端提供偏置信號反饋。

3.下圖中的WE信號為幾微安量級電流，源于CE與RE電極之間的電勢差，這種電勢差導致溶液中的氫離子活性或離子運動(dòng)。使用運放作為跨阻抗放大器，該電流被轉換為10mV至100mV范圍內的電壓，供ADC進(jìn)一步處理。

圖1 該電路用于水的pH值和電導率分析

基于邊緣AI的水電導率分析系統

●   高質(zhì)量數據支持實(shí)時(shí)監測與預測性維護

通過(guò)使用來(lái)自pH計的高度精確且可靠的數據對機器學(xué)習推理引擎進(jìn)行訓練，可以在質(zhì)量控制與故障分析方面實(shí)現出色的準確性。穩定的輸出與診斷數據不僅有助于提取必要的特征，還能通過(guò)機器學(xué)習算法分析多種水質(zhì)參數。

■   穩定性：隨時(shí)間與溫度變化而引起的漂移是邊緣AI pH計和電導率計設計的關(guān)鍵注意事項。低預測性漂移能夠顯著(zhù)提高監督機器學(xué)習算法的準確性，從而更好地預測或分類(lèi)未來(lái)的未知實(shí)例。

■   有效的分辨率與噪聲性能：為了充分利用傳感器的動(dòng)態(tài)范圍并獲取精準讀數，信號鏈與功率設計過(guò)程中應考慮低噪聲和高分辨率，特別是對于實(shí)驗室儀器。

■   精度：實(shí)驗室常用的pH計通常要求至少達到±0.1的pH精度，以確保在各種環(huán)境下實(shí)現精準測量。

■   診斷與校準：電極診斷功能在預測性維護和高質(zhì)量測量中至關(guān)重要。它提供了靈活性，有助于用戶(hù)了解電極何時(shí)需要清潔或校準。

接下來(lái)，讓我們深入探討恩智浦新推出的模擬前端（AFE）如何幫助克服pH監測中面臨的障礙與挑戰。

NAFE33352依托恩智浦廣泛的多通道通用模擬輸入產(chǎn)品組合，是一款軟件可配置的通用輸入/輸出AFE，能夠滿(mǎn)足邊緣AI pH計應用對高精度測量和數據處理的嚴苛需求。UIO-AFE集成了精密的14/16/18位DAC、16/24位ADC、低漂移電壓基準、低偏移漂移緩沖器以及高壓高精度放大器，并配備70V輸入保護電路，以應對EMC和誤接線(xiàn)情況。此外，該器件內置診斷與保護電路，可進(jìn)行輸出、短路和斷路檢測。模擬輸入模塊還配備了先進(jìn)的情況監測與診斷電路，確保功能安全。精確的電流和電壓回讀能力支持高級異常檢測，為預測性維護提供了可靠的技術(shù)保障。

●   NAFE33352 AFE如何助力pH監測中的高級診斷

■   穩定的ADC和DAC數據為模式識別提供支持

◇   輸入ADC數據

在此應用中，ADC的典型數據速率約為100ksps。NAFE33352提供卓越的噪聲性能，詳見(jiàn)下表。模擬輸入的UIO AFE噪聲性能取決于器件配置，包括數據速率、PGA增益、數字濾波器階數以及穩定模式設置。其中，影響噪聲性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素是數據速率和PGA增益。降低數據速率會(huì )使總噪聲按比例降低，因為數字濾波器的等效噪聲帶寬與數據速率成正比。與此同時(shí)，提高PGA增益可以減少輸入參考噪聲，這是因為PGA的噪聲水平低于A(yíng)DC的噪聲。此外，噪聲性能還受到數字濾波器形狀的影響，較低的階數會(huì )進(jìn)一步降低等效噪聲帶寬，從而改善噪聲水平。

表1 噪聲性能結果

■   輸出DAC數據

NAFE33352的DAC可用于生成此類(lèi)應用所需的復雜波形。通過(guò)SPI主機發(fā)送DAC命令CMD_WGEN，可以觸發(fā)自動(dòng)DAC波形發(fā)生器。所有波形參數均可在不同的寄存器中進(jìn)行編程，以實(shí)現所需的輸出波形。

NAFE33352集成了低漂移電壓基準和低偏移漂移緩沖器，確保在溫度變化和長(cháng)時(shí)間運行中具有卓越的穩定性。其電壓和電流輸入/輸出TUE隨溫度漂移的典型值為3ppm/°C，最大值為10ppm/°C。

這種高精度與穩定性的數據為機器學(xué)習模型的定制化數據集提供了有力支持，從而提升準確性和可靠性。高質(zhì)量數據與機器學(xué)習模型的精度息息相關(guān)，確保了算法能夠正確構建接口。

■   智能模擬集成

NAFE33352的另一大優(yōu)勢在于模擬集成度高，有助于顯著(zhù)減小此類(lèi)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備的整體外形尺寸。該產(chǎn)品集成了DAC，可生成用于溶液中偏置電極的復雜波形。同時(shí)，它還配備電壓感測放大器，用于讀取該電壓并將偏置信號發(fā)送至連接DAC的功放。

通用輸入或電流感測放大器可用于讀取電化學(xué)反應產(chǎn)生的電流，從而無(wú)需使用跨阻抗放大器。

圖2 展示模擬集成的框圖，有助于緊湊型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備

■   用于預測性維護的診斷和校準

恩智浦的NAFE系列提供多種內部診斷功能，大幅提升了硬件的容錯能力。對于pH計而言，實(shí)時(shí)且智能的傳感器診斷與管理是確保持續穩定pH測量的關(guān)鍵。通過(guò)預測性校準，可以確定pH傳感器的校準需求和剩余使用壽命。

NAFE33352具備先進(jìn)的診斷功能，支持自我狀態(tài)監測和系統級狀態(tài)監測。除了常規的開(kāi)路與短路檢測外，它還提供低量程和超量程的輸入檢測、電源電壓范圍監測、過(guò)熱關(guān)斷保護，以及系統內各種異常情況的全局告警功能。

本部分還介紹了工廠(chǎng)校準系數（CAL）。該系數將在恩智浦工廠(chǎng)完成校準，并存儲于非易失性存儲器中。此外，用戶(hù)還可執行端到端自校準操作。

KITNAFE33352-EVB助力加速全軟件可配置pH計的設計

KITNAFE33352-EVB是一款即將發(fā)布的評估板，用于快速評估恩智浦的模擬前端NAFE33352。該解決方案涵蓋了基于NAFE33352進(jìn)行系統設計所需的所有關(guān)鍵組件。通過(guò)現成的LPC54S018 MCUXpresso SDK驅動(dòng)程序以及用于評估的GUI，該板能夠顯著(zhù)加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

NAFE33352的評估能力即將通過(guò)NAFE33352-UIOM得到擴展。NAFE33352-UIOM是一款軟件可配置的輸入/輸出AFE Arduino? Shield擴展板，支持快速評估，并與恩智浦的FRDM-MCX開(kāi)發(fā)板實(shí)現即插即用的兼容性。FRDM-MCXN947是一款緊湊且可擴展的開(kāi)發(fā)板，專(zhuān)為MCX N94或N54 MCU的快速原型設計而打造。NAFE33352-UIOM與FRDM-MCXN947的解決方案獨具特色，展現了緊湊系統設計方法。

NAFE33352-UIOM解決方案不僅具備卓越的硬件靈活性，還配備了MCUXpresso SDK驅動(dòng)程序和參考應用程序，能夠加快軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)程。MCUXpresso提供了開(kāi)發(fā)高質(zhì)量嵌入式軟件應用程序所需的全套工具。所有附帶詳細說(shuō)明的代碼均可在應用代碼中心（ACH）獲取。

長(cháng)期供貨對于工業(yè)應用至關(guān)重要，NAFE33352系列包含在恩智浦產(chǎn)品長(cháng)期供貨計劃中。

恩智浦助力實(shí)現更清潔的水資源

總而言之，通過(guò)提供可靠、精準的數據，結合軟件可配置的緊湊型設計，以及內置的校準支持與診斷功能，恩智浦可以打造高效的下一代邊緣AI水質(zhì)分析設計。恩智浦的NAFE系列在推動(dòng)此類(lèi)邊緣AI設計的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

作者：Madhura Tapse

恩智浦半導體產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理

Madhura Tapse于2023年加入恩智浦半導體，擔任產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理，專(zhuān)注于為工業(yè)4.0和工業(yè)自動(dòng)化應用開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。在加入恩智浦之前，她曾在Maxim Integrated（現為Analog Devices）和Cypress Semiconductors擔任應用工程師。她畢業(yè)于浦那大學(xué)，獲得了電氣工程學(xué)士學(xué)位，并在孟買(mǎi)印度理工學(xué)院獲得了生物醫學(xué)工程碩士學(xué)位。