【導(dǎo)讀】飲料生產(chǎn)、制藥廠、廢水處理廠等多個行業(yè)都依靠水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)對重要水質(zhì)指標(biāo)進行測量和控制。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
本文重點討論歷來不可或缺但不可靠而造成實施負(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。
通常整個加工廠中部署單獨的有線傳感器。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)可以實現(xiàn)高可靠性無線傳感網(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。將該原理輕松擴展到其他電化學(xué)參數(shù)，可以針對每個無線傳感節(jié)點形成一系列水質(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量的一項指標(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，測量電極會產(chǎn)生一個電壓，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（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)。該機制能夠很好地補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)界高度集成的先進化學(xué)傳感器測量前端，它為pH值測量提供了一個平臺解決方案，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(nèi)，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。該測量板來自CN-0428 參考設(shè)計，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)建了一個小型低功耗pH值測量傳感器節(jié)點。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。
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，使每個傳感器節(jié)點都可以通過電池供電運行。
SmartMesh網(wǎng)絡(luò)使用時隙信道跳頻(TSCH)鏈路層進行通信，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)計劃，管理安全性，執(zhí)行無線編程(OTAP)，并自動優(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)運行狀況報告。對于小型網(wǎng)絡(luò)，一個嵌入式管理器可支持多達100個傳感器節(jié)點（也稱為終端）。而VManager支持多達50,000個節(jié)點的大型安裝。
圖7.傳感器節(jié)點和網(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：
● 四個傳感器節(jié)點：
■每個傳感器節(jié)點都包含一個現(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(shù)據(jù)，JSON服務(wù)器連接到Node-RED。Node-RED用于顯示從每個傳感器節(jié)點測得的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，我們使用的是錯列三格魚缸，水從頂格流到后面每格。每格中都插入一個pH傳感器探針。我們在遠處參考溶液中放置了第四個探針（圖9未顯示），以表示SmartMesh遠程無線通信。當(dāng)我們改變頂格中溶液的pH值時，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pH傳感器也會更新其測量值，屏幕上顯示其數(shù)據(jù)。由于第四個傳感器位于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。
測量數(shù)據(jù)：
4個傳感器節(jié)點的pH測量值通過Node-RED顯示在PC上。
Node-RED是一個具有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)。該演示說明了一個高度可靠的無線監(jiān)測系統(tǒng)以及云連接。對于不同的最終應(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
● CN-0398：帶溫度補償功能的土壤濕度和pH值測量系統(tǒng)。ADI公司，2020年1月。
● CN-0409：低至高水平水濁度測量系統(tǒng)。ADI公司，2020年1月。
● IBM Watson物聯(lián)網(wǎng)平臺。IBM Corporation，2019年。
● Kämmerer, Christoph。液體測量——從水到血液。ADI公司，2019年10月。
● Node-RED：事件驅(qū)動型應(yīng)用的低代碼編程。Node-RED，2020年1月。
● Tzscheetzsch, Thomas。“帶有溫度補償功能的隔離式pH監(jiān)測儀。”ADI公司，2019年7月。
● 水質(zhì)。Fondriest Environmental, Inc.，2020年1月。
● @Pd2019S。“傳感器4的pH值為6.877，時間戳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的汽車動力總成部和電源管理部工作。聯(lián)系方式：piyu.dhaker@analog.com。
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