ADI公司 | Piyu Dhaker，應(yīng)用工程師

簡介

飲料生產(chǎn)、制藥廠、廢水處理廠等多個(gè)行業(yè)都依靠水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)重要水質(zhì)指標(biāo)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(shù)可作為水質(zhì)指標(biāo)。例如：

• 物理：溫度和濁度
• 化學(xué)：pH值、氧化還原電位（ORP）、電導(dǎo)率和溶解氧
• 生物學(xué)：藻類和細(xì)菌

本文重點(diǎn)討論歷來不可或缺但不可靠而造成實(shí)施負(fù)擔(dān)的化學(xué)測量參數(shù)。電化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)分支，通過測量電子從一種反應(yīng)物到另一種反應(yīng)物的轉(zhuǎn)移來表征還原-氧化反應(yīng)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(biāo)。電化學(xué)測量系統(tǒng)主要由兩個(gè)模塊組成：

• 傳感器：一種用于測量水質(zhì)指標(biāo)并產(chǎn)生相應(yīng)電信號(hào)的器件。
• 測量和處理單元：測量和處理電信號(hào)的電路。

通常整個(gè)加工廠中部署單獨(dú)的有線傳感器。現(xiàn)場傳感器需要經(jīng)常清洗、校準(zhǔn)和更換。無線網(wǎng)絡(luò)可減少一些這樣的負(fù)擔(dān)，但通常被認(rèn)為不夠可靠，不能部署在這些應(yīng)用的惡劣環(huán)境中。

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在采用新的測量和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高可靠性無線傳感網(wǎng)絡(luò)。本文介紹一款演示平臺(tái)，它將ADuCM355 的通用傳感器接口功能與ADI公司的SmartMesh?IP 技術(shù)線狀可靠性相結(jié)合，構(gòu)成穩(wěn)健的低功耗無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，專用于水質(zhì)指標(biāo)pH值測量。將該原理輕松擴(kuò)展到其他電化學(xué)參數(shù)，可以針對(duì)每個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)形成一系列水質(zhì)測量。

圖1.典型電化學(xué)測量系統(tǒng)。

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(duì)量的一項(xiàng)指標(biāo)。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(nèi)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(shù)）F = 96485庫侖/摩爾，法拉第常數(shù)

R = 8.314伏特-庫侖/°K摩爾，理想氣體常數(shù)

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(qǐng)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(yù)測的，并且可通過全溫度范圍內(nèi)的探針校準(zhǔn)和后續(xù)測量期間的溫度校正來解決。溫度傳感器通常集成到pH探針中。溫度傳感器可以是負(fù)溫度系數(shù)（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(shù)應(yīng)用校正系數(shù)，然后儀表將顯示校正后的更準(zhǔn)確的讀數(shù)。該機(jī)制能夠很好地補(bǔ)償由于溫度變化引起的pH值誤差。

采用ADuCM355的pH測量單元

圖4.集成溫度傳感器連接到ADuCM355的pH探針。

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(tái)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(tái)，尺寸很小，足以集成在傳感器外殼內(nèi)，而功能和性能堪比臺(tái)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。該測量板來自CN-0428 參考設(shè)計(jì)，更多相關(guān)詳情見圖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(jié)點(diǎn)連接到SmartMesh

通過將ADuCM355和ADI SmartMesh收發(fā)器相結(jié)合，我們創(chuàng)建了一個(gè)小型低功耗pH值測量傳感器節(jié)點(diǎn)。ADuCM355將測得的pH數(shù)據(jù)作為數(shù)字輸出。然后，該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過UART連接到ADI的LTP5902 SmartMesh IP無線收發(fā)器。 LTP5902 通過SmartMesh網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸至SmartMesh IP管理器。

圖6.PH傳感器連接到ADuCM355和SmartMesh無線傳感器節(jié)點(diǎn)。

SmartMesh是ADI基于IEEE 802.15.4e標(biāo)準(zhǔn)的專有2.4 GHz多跳無線Mesh網(wǎng)絡(luò)解決方案。其包括AES 128加密和身份驗(yàn)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(jié)點(diǎn)都可以通過電池供電運(yùn)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(diào)計(jì)劃，管理安全性，執(zhí)行無線編程（OTAP），并自動(dòng)優(yōu)化連接。該網(wǎng)絡(luò)管理器還通過API提供詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況報(bào)告。對(duì)于小型網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)嵌入式管理器可支持多達(dá)100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)（也稱為終端）。而VManager支持多達(dá)50，000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型安裝。

圖7.傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)IP管理器在網(wǎng)關(guān)內(nèi)的SmartMesh網(wǎng)絡(luò)。

嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)壓力測試可確保99.999%以上的數(shù)據(jù)可靠性，使SmartMesh成為工業(yè)無線傳感器網(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。

無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)：

圖8.使用ADuCM355和SmartMesh的無線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。

圖8所示的無線水質(zhì)網(wǎng)絡(luò)演示包含：

• 四個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)：

■每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都包含一個(gè)現(xiàn)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(zhí)行測量和計(jì)算，并以數(shù)字輸出提供測得的pH值，然后通過無線SmartMesh網(wǎng)絡(luò)傳輸至SmartMesh IP管理器。

■SmartMesh IP管理器通過USB連接到PC。

• 此系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)由PC執(zhí)行。該P(yáng)C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(chǔ)該數(shù)據(jù)，JSON服務(wù)器連接到Node-RED。Node-RED用于顯示從每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)測得的pH數(shù)據(jù)，并允許連接到IBM Watson、Amazon AWS等云服務(wù)。
• 硬件設(shè)置

圖9.無線水質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。

出于演示目的，我們使用的是錯(cuò)列三格魚缸，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?cè)谶h(yuǎn)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(yuǎn)程無線通信。當(dāng)我們改變頂格中溶液的pH值時(shí)，Node-RED上的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。由于第四個(gè)傳感器位于pH值沒有變化的參考溶液中，因此該傳感器的讀數(shù)不變。以下各節(jié)提供了有關(guān)Node-RED和測得數(shù)據(jù)的更多信息。您也可以在此處查看演示記錄。

圖10.傳感器節(jié)點(diǎn)。

測量數(shù)據(jù)：

4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的pH測量值通過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(shè)備、API和其他在線服務(wù)。演示的JSON流如圖11所示。

圖11.JSON流。

圖12.無線水質(zhì)演示儀表板。

圖13. IBM Watson上顯示的pH測量數(shù)據(jù)。

圖14. pH測量數(shù)據(jù)推文。

結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)

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@Pd2019S。“傳感器4的pH值為6.877，時(shí)間戳2019-11-06 18:13:55.593000。”

Twitter，2019年11月，下午6:13。

致謝

在此感謝Scott Hunt和Bill Lindsay在演示開發(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(duì)本文，并提出了寶貴的意見和建議。

作者簡介

Piyu Dhaker是ADI公司北美中心應(yīng)用部的一名應(yīng)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(yīng)用部門。她還曾在ADI的汽車動(dòng)力總成部和電源管理部工作。