飲料生產(chǎn)、制藥廠、廢水處理廠等多個(gè)行業(yè)依靠水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來測(cè)量和控制重要的水質(zhì)指標(biāo)。定義水的物理、化學(xué)和生物特性的參數(shù)可用作水質(zhì)指標(biāo)。示例包括：

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：藻類和細(xì)菌

本文重點(diǎn)介紹歷史上不可或缺且不可靠的化學(xué)測(cè)量參數(shù)，這些參數(shù)帶來了實(shí)施負(fù)擔(dān)。電化學(xué)是化學(xué)的一個(gè)分支，它通過測(cè)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（氧化還原）反應(yīng)的行為。電化學(xué)技術(shù)可以直接或間接地用于檢測(cè)和測(cè)量前面列出的水質(zhì)指標(biāo)示例。電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)由兩個(gè)主要模塊組成：

傳感器：用于測(cè)量水質(zhì)指標(biāo)并產(chǎn)生相應(yīng)電信號(hào)的裝置。

測(cè)量和處理單元：測(cè)量和處理電信號(hào)的電路。

通常，單個(gè)有線傳感器部署在整個(gè)加工廠中。現(xiàn)場(chǎng)傳感器需要經(jīng)常清潔和校準(zhǔn)，并經(jīng)常更換。無線網(wǎng)絡(luò)可以減輕一些負(fù)擔(dān)，但它們通常被認(rèn)為不夠強(qiáng)大，無法部署在這些應(yīng)用的惡劣環(huán)境中。

在此過程中，高可靠性無線傳感網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在可以通過新的測(cè)量和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。本文介紹一個(gè)演示平臺(tái)，該平臺(tái)結(jié)合了ADuCM355的通用傳感器接口功能與ADI公司SmartMesh IP技術(shù)的線狀可靠性，形成一個(gè)魯棒的低功耗無線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，專注于pH測(cè)量作為示例水質(zhì)指標(biāo)。該原理可以很容易地?cái)U(kuò)展到其他電化學(xué)參數(shù)，為每個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)形成一套水質(zhì)測(cè)量。

圖1.典型的電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。

pH測(cè)量和pH探頭

pH值是水溶液中氫和氫氧根離子相對(duì)量的量度。中性溶液是氫離子濃度與氫氧根離子濃度完全相等的溶液。pH是表達(dá)氫離子濃度，測(cè)量溶液酸度或堿度的另一種方式，定義為：

其中 H+ 是以摩爾/升為單位的氫離子濃度。

溶液的pH值范圍為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電極是由玻璃電極和參比電極組成的電化學(xué)傳感器。

圖2.pH探頭。

當(dāng)pH探頭插入溶液中時(shí)，測(cè)量電極產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓取決于溶液的氫離子活性，然后將其與內(nèi)部參比電極的電位進(jìn)行比較。測(cè)量電極和參比電極之間的差值是測(cè)量電位，在能斯特方程中表示為：

哪里：

E是活性未知的電極電壓

a = ±30 mV，零點(diǎn)容差

T 是以 °C 為單位的環(huán)境溫度

n = 1 在 25°C，價(jià)態(tài)（離子上的電荷數(shù)）

F = 96485 庫侖/摩爾，法拉第常數(shù)

R = 8.314 伏庫侖/°K 摩爾，理想氣體常數(shù)

pH = 未知溶液的氫離子濃度

酸堿度.ISO= 參比電解質(zhì)的氫離子濃度;查閱探頭文檔;典型酸堿度.ISO= 7

該方程表示產(chǎn)生的電壓以已知方式隨pH值變化。它還表明產(chǎn)生的電壓與溶液的溫度成正比。隨著溶液溫度的升高，兩個(gè)電極之間的電位差增加，反之亦然。理想的pH探頭在25°C時(shí)產(chǎn)生±59.154 mV/pH單位。

溫度的變化也會(huì)改變測(cè)量電極的靈敏度，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量誤差。該誤差是可預(yù)測(cè)的，可以通過在整個(gè)溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)探頭，然后在后續(xù)測(cè)量中校正溫度來解釋。通常，溫度傳感器集成在pH探頭中。溫度傳感器可以是負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻或RTD，例如PT100或PT1000。帶溫度傳感器的pH探頭如圖3所示。

圖3.帶溫度傳感器的pH探頭。

如果溫度傳感器測(cè)量溫度變化，則校正因子應(yīng)用于最終pH讀數(shù)，然后儀表顯示校正后更準(zhǔn)確的讀數(shù)。這種機(jī)制可以很好地補(bǔ)償由于溫度變化而可能產(chǎn)生的任何pH誤差。

采用ADuCM355的pH測(cè)量單元

圖4.pH探頭，集成溫度傳感器，連接到ADuCM355。

ADuCM355是業(yè)界最先進(jìn)、高度集成的化學(xué)傳感器測(cè)量前端，為pH測(cè)量提供平臺(tái)解決方案，所有必要的測(cè)量功能都集成在低功耗微處理器中。ADuCM355能夠以小尺寸實(shí)現(xiàn)超低功耗測(cè)量平臺(tái)，使其足夠小，可以在傳感器外殼內(nèi)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)提供臺(tái)式儀器的功能和性能。圖4顯示了ADuCM355的pH測(cè)量板，帶有BNC和RCA連接器，用于pH探頭和溫度傳感器連接。該板來自CN-0428參考設(shè)計(jì)，有關(guān)該板的更多詳細(xì)信息請(qǐng)參見圖5。

圖5.ADuCM355 pH測(cè)量PCB，帶BNC和RCA連接器。

將pH測(cè)量傳感器節(jié)點(diǎn)連接到智能網(wǎng)格

通過將ADuCM355與ADI公司的SmartMesh收發(fā)器相結(jié)合，我們創(chuàng)建了一個(gè)小型、低功耗pH測(cè)量傳感器節(jié)點(diǎn)。ADuCM355以數(shù)字輸出形式提供測(cè)量的pH數(shù)據(jù)。然后，該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過UART連接到ADI公司的LTP5902 SmartMesh IP無線收發(fā)器。LTP5902 通過智能網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)?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公司專有的基于IEEE 802.15.4e標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz多跳無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)解決方案。它包括 AES 128 加密和身份驗(yàn)證，提供強(qiáng)大的端到端安全性。它具有超低功耗和高能效，使每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都可以使用電池運(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，該鏈路層提供三重播放冗余。SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)管理器（網(wǎng)關(guān)的一部分）協(xié)調(diào)計(jì)劃、管理安全性、執(zhí)行無線編程 （OTAP），并每周 7 天、每天 24 小時(shí)自動(dòng)優(yōu)化連接。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)嵌入式管理器最多可以支持 100 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)（也稱為微塵）。VManager支持多達(dá)50，000個(gè)節(jié)點(diǎn)的真正大規(guī)模安裝。

圖7.網(wǎng)關(guān)內(nèi)具有傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò) IP 管理器的智能網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)壓力測(cè)試可確保 >99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性，使 SmartMesh 成為必須保持高網(wǎng)絡(luò)可用性且不會(huì)丟失數(shù)據(jù)包的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的完美解決方案。

無線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：

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

如圖8所示的無線水質(zhì)網(wǎng)絡(luò)演示包括：

四個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)：

每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由一個(gè)現(xiàn)成的玻璃電極pH探頭和一個(gè)連接到ADuCM355和SmartMesh IP微塵的集成溫度傳感器組成，如圖6所示。

pH探頭檢測(cè)pH值，ADuCM355執(zhí)行測(cè)量和計(jì)算，并以數(shù)字輸出形式提供測(cè)量的pH值，然后通過無線SmartMesh網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絊martMesh 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。這臺(tái)電腦安裝了Node-Red和SmartMesh SDK。SmartMesh SDK 用于為連接到 Node-RED 的數(shù)據(jù)創(chuàng)建 JavaScript 對(duì)象表示法 （JSON） 服務(wù)器。Node-RED用于顯示來自每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)量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

為了演示目的，我們使用交錯(cuò)的三室魚缸，水從頂部流向隨后的艙室。pH傳感器探頭浸入每個(gè)腔室中。我們將第四個(gè)傳感器放置在遠(yuǎn)距離的參考溶液中，以說明遠(yuǎn)距離的SmartMesh無線通信。當(dāng)我們改變頂部腔室中溶液的pH值時(shí)，Node-RED上的數(shù)據(jù)會(huì)更新，表明新的pH值。當(dāng)這種新的pH溶液從頂部流向隨后的腔室時(shí)，另外兩個(gè)pH傳感器會(huì)更新其測(cè)量值，數(shù)據(jù)將顯示在屏幕上。由于第四個(gè)傳感器浸入?yún)⒈热芤褐校琾H值沒有變化，因此該傳感器的讀數(shù)是恒定的。以下各節(jié)提供了有關(guān) Node-RED 和測(cè)量數(shù)據(jù)的更多信息。您還可以在此處查看演示錄像。

圖 10.傳感器節(jié)點(diǎn)。

測(cè)量數(shù)據(jù)：

來自 4 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的 pH 測(cè)量值使用 Node-RED 顯示在 PC 上。

Node-RED 是一種編程工具，帶有基于 Web 的瀏覽器，允許將硬件設(shè)備、API 和其他在線服務(wù)連接在一起。演示的 JSON 流程如圖 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(cè)量數(shù)據(jù)。

圖 14.pH測(cè)量數(shù)據(jù)以推文形式表示。

結(jié)論

本文介紹采用ADI公司ADuCM355和SmartMesh IP技術(shù)的無線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些產(chǎn)品的小尺寸和低功耗特性允許傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電。強(qiáng)大的 SmartMesh 技術(shù)即使在惡劣的外部環(huán)境中也能可靠地傳輸數(shù)據(jù)。該演示展示了高度可靠的無線監(jiān)控系統(tǒng)和與云的連接。根據(jù)最終應(yīng)用的不同，這具有巨大的潛力，因?yàn)樵摷夹g(shù)允許在難以到達(dá)的位置監(jiān)測(cè)水質(zhì)，使用戶能夠針對(duì)不同的水質(zhì)閾值創(chuàng)建警報(bào)和警告，并利用數(shù)據(jù)獲得有關(guān)連續(xù)水質(zhì)的更可靠和更好的信息。

審核編輯：郭婷