无线水质监测系统

饮料生产、制药厂、废水处理厂等多个行业依靠水质监测系统来测量和控制重要的水质指标。定义水的物理、化学和生物特性的参数可用作水质指标。示例包括：

物理：温度和浊度

化学：pH 值、氧化还原电位 （ORP）、电导率和溶解氧

生物：藻类和细菌

本文重点介绍历史上不可或缺且不可靠的化学测量参数，这些参数带来了实施负担。电化学是化学的一个分支，它通过测量电子从一种反应物到另一种反应物的转移来表征还原-氧化（氧化还原）反应的行为。电化学技术可以直接或间接地用于检测和测量前面列出的水质指标示例。电化学测量系统由两个主要模块组成：

传感器：用于测量水质指标并产生相应电信号的装置。

测量和处理单元：测量和处理电信号的电路。

通常，单个有线传感器部署在整个加工厂中。现场传感器需要经常清洁和校准，并经常更换。无线网络可以减轻一些负担，但它们通常被认为不够强大，无法部署在这些应用的恶劣环境中。

在此过程中，高可靠性无线传感网络现在可以通过新的测量和网络技术实现。本文介绍一个演示平台，该平台结合了ADuCM355的通用传感器接口功能与ADI公司SmartMesh IP技术的线状可靠性，形成一个鲁棒的低功耗无线水质监测系统，专注于pH测量作为示例水质指标。该原理可以很容易地扩展到其他电化学参数，为每个无线传感节点形成一套水质测量。

图1.典型的电化学测量系统。

pH测量和pH探头

pH值是水溶液中氢和氢氧根离子相对量的量度。中性溶液是氢离子浓度与氢氧根离子浓度完全相等的溶液。pH是表达氢离子浓度，测量溶液酸度或碱度的另一种方式，定义为：

其中 H+ 是以摩尔/升为单位的氢离子浓度。

溶液的pH值范围为0至14，中性溶液的pH值为7，酸性溶液的pH值小于7，碱性溶液的pH值大于7。

pH电极是由玻璃电极和参比电极组成的电化学传感器。

图2.pH探头。

当pH探头插入溶液中时，测量电极产生一个电压，该电压取决于溶液的氢离子活性，然后将其与内部参比电极的电位进行比较。测量电极和参比电极之间的差值是测量电位，在能斯特方程中表示为：

哪里：

E是活性未知的电极电压

a = ±30 mV，零点容差

T 是以 °C 为单位的环境温度

n = 1 在 25°C，价态（离子上的电荷数）

F = 96485 库仑/摩尔，法拉第常数

R = 8.314 伏库仑/°K 摩尔，理想气体常数

pH = 未知溶液的氢离子浓度

酸碱度.ISO= 参比电解质的氢离子浓度;查阅探头文档;典型酸碱度.ISO= 7

该方程表示产生的电压以已知方式随pH值变化。它还表明产生的电压与溶液的温度成正比。随着溶液温度的升高，两个电极之间的电位差增加，反之亦然。理想的pH探头在25°C时产生±59.154 mV/pH单位。

温度的变化也会改变测量电极的灵敏度，进而导致测量误差。该误差是可预测的，可以通过在整个温度范围内校准探头，然后在后续测量中校正温度来解释。通常，温度传感器集成在pH探头中。温度传感器可以是负温度系数（NTC）热敏电阻或RTD，例如PT100或PT1000。带温度传感器的pH探头如图3所示。

图3.带温度传感器的pH探头。

如果温度传感器测量温度变化，则校正因子应用于最终pH读数，然后仪表显示校正后更准确的读数。这种机制可以很好地补偿由于温度变化而可能产生的任何pH误差。

采用ADuCM355的pH测量单元

图4.pH探头，集成温度传感器，连接到ADuCM355。

ADuCM355是业界最先进、高度集成的化学传感器测量前端，为pH测量提供平台解决方案，所有必要的测量功能都集成在低功耗微处理器中。ADuCM355能够以小尺寸实现超低功耗测量平台，使其足够小，可以在传感器外壳内实现，同时提供台式仪器的功能和性能。图4显示了ADuCM355的pH测量板，带有BNC和RCA连接器，用于pH探头和温度传感器连接。该板来自CN-0428参考设计，有关该板的更多详细信息请参见图5。

图5.ADuCM355 pH测量PCB，带BNC和RCA连接器。

将pH测量传感器节点连接到智能网格

通过将ADuCM355与ADI公司的SmartMesh收发器相结合，我们创建了一个小型、低功耗pH测量传感器节点。ADuCM355以数字输出形式提供测量的pH数据。然后，该数字数据通过UART连接到ADI公司的LTP5902 SmartMesh IP无线收发器。LTP5902 通过智能网状网络将数字数据传输到 SmartMesh IP 管理器。

图6.pH传感器连接到ADuCM355和SmartMesh无线传感器节点。

SmartMesh是ADI公司专有的基于IEEE 802.15.4e标准的2.4 GHz多跳无线网状网络解决方案。它包括 AES 128 加密和身份验证，提供强大的端到端安全性。它具有超低功耗和高能效，使每个传感器节点都可以使用电池运行。

SmartMesh 网络使用时隙信道跳频 （TSCH） 链路层进行通信，该链路层提供三重播放冗余。SmartMesh 网络管理器（网关的一部分）协调计划、管理安全性、执行无线编程 （OTAP），并每周 7 天、每天 24 小时自动优化连接。网络管理器还通过 API 提供详细的网络运行状况报告。对于小型网络，一个嵌入式管理器最多可以支持 100 个传感器节点（也称为微尘）。VManager支持多达50，000个节点的真正大规模安装。

图7.网关内具有传感器节点和网络 IP 管理器的智能网状网络。

严格的网络压力测试可确保 >99.999% 的数据可靠性，使 SmartMesh 成为必须保持高网络可用性且不会丢失数据包的工业无线传感器网络的完美解决方案。

无线水质监测系统：

图8.使用ADuCM355和SmartMesh的无线水质监测系统。

如图8所示的无线水质网络演示包括：

四个传感器节点：

每个传感器节点由一个现成的玻璃电极pH探头和一个连接到ADuCM355和SmartMesh IP微尘的集成温度传感器组成，如图6所示。

pH探头检测pH值，ADuCM355执行测量和计算，并以数字输出形式提供测量的pH值，然后通过无线SmartMesh网络传输到SmartMesh IP管理器。

SmartMesh IP管理器通过USB连接到PC。

此系统中的网关由 PC 执行。这台电脑安装了Node-Red和SmartMesh SDK。SmartMesh SDK 用于为连接到 Node-RED 的数据创建 JavaScript 对象表示法 （JSON） 服务器。Node-RED用于显示来自每个传感器节点的测量pH数据，并允许连接到IBM Watson，Amazon AWS等云服务。

硬件设置

为了演示目的，我们使用交错的三室鱼缸，水从顶部流向随后的舱室。pH传感器探头浸入每个腔室中。我们将第四个传感器放置在远距离的参考溶液中，以说明远距离的SmartMesh无线通信。当我们改变顶部腔室中溶液的pH值时，Node-RED上的数据会更新，表明新的pH值。当这种新的pH溶液从顶部流向随后的腔室时，另外两个pH传感器会更新其测量值，数据将显示在屏幕上。由于第四个传感器浸入参比溶液中，pH值没有变化，因此该传感器的读数是恒定的。以下各节提供了有关 Node-RED 和测量数据的更多信息。您还可以在此处查看演示录像。

图 10.传感器节点。

测量数据：

来自 4 个传感器节点的 pH 测量值使用 Node-RED 显示在 PC 上。

Node-RED 是一种编程工具，带有基于 Web 的浏览器，允许将硬件设备、API 和其他在线服务连接在一起。演示的 JSON 流程如图 11 所示。

图 11.JSON 流。

图 12.无线水质演示仪表板。

图 13.IBM Watson 上显示的 pH 测量数据。

图 14.pH测量数据以推文形式表示。

结论

本文介绍采用ADI公司ADuCM355和SmartMesh IP技术的无线水质监测系统。这些产品的小尺寸和低功耗特性允许传感器节点由电池供电。强大的 SmartMesh 技术即使在恶劣的外部环境中也能可靠地传输数据。该演示展示了高度可靠的无线监控系统和与云的连接。根据最终应用的不同，这具有巨大的潜力，因为该技术允许在难以到达的位置监测水质，使用户能够针对不同的水质阈值创建警报和警告，并利用数据获得有关连续水质的更可靠和更好的信息。

审核编辑：郭婷