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基于ADI的ADuCM355和SmartMesh IP技术的无线水质监测系

ADI公司 | Piyu Dhaker,利用工程师

简介

饮料临盆、制药厂、废水处置惩罚厂等多个行业都寄托水质监测系统对紧张水质指标进行丈量和节制。定义水的物理、化学和生物学特点的参数可作为水质指标。例如:

物理:温度和浊度

化学:pH值、氧化还原电位(ORP)、电导率和消融氧

生物学:藻类和细菌

本文重点评论争论历来弗成或缺但弗成靠而造成实施包袱的化学丈量参数。电化学是化学的一个分支,经由过程丈量电子从一种反映物到另一种反映物的转移来表征还原-氧化反映的行径。电化学技巧可以直接或间接用于检测和丈量上述水质指标。电化学丈量系统主要由两个模块组成:

传感器:一种用于丈量水质指标并孕育发生响应电旌旗灯号的器件。

丈量和处置惩罚单元:丈量和处置惩罚电旌旗灯号的电路

平日全部加工厂中支配零丁的有线传感器。现场传感器必要常常洗濯、校准和替换。无线收集可削减一些这样的包袱,但平日被觉得不敷靠得住,不能支配在这些利用的恶劣情况中。

跟着科技的成长,现在采纳新的丈量和收集技巧可以实现高靠得住性无线传感收集。本文先容一款演示平台,它将ADuCM355 的通用传感器接口功能与ADI公司的SmartMesh®IP 技巧线状靠得住性相结合,构成稳健的低功耗无线水质监测系统,专用于水质指标pH值丈量。将该道理轻松扩展到其他电化学参数,可以针对每个无线传感节点形成一系列水质丈量。

图1.范例电化学丈量系统。

pH值丈量和pH探针

pH值是衡量水溶液中氢离子和氢氧化物离子相对量的一项指标。中性溶液指氢离子浓度恰恰即是氢氧化物离子浓度的溶液。pH值是表示氢离子浓度、衡量溶液酸碱度的另一种要领,定义如下:

此中H+是氢离子浓度(单位:摩尔/升)。

溶液的pH值为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值大年夜于7。

pH探针是由玻璃电极和参考电极组成的电化学传感器。

图2. pH探针

将pH探针插入溶液中时,丈量电极会孕育发生一个电压,该电压取决于溶液的氢离子活性,然后该电压与内部参比电极的电位进行对照。丈量电极和参比电极之间的电位差便是测得的电位,用能斯特方程表示为:

此中:

E是电极电压,活性未知 a = ±30 mV,零点容差

T为情况温度(°C)

n = 1 at 25°C, valence (number of charges on ion) F = 96485 coulombs/mol, Faraday constant

n = 1(25°C),价(离子上的电荷数)F = 96485库仑/摩尔,法拉第常数

R = 8.314伏特-库仑/°K摩尔,抱使气体常数

pH = 未知溶液的氢离子浓度

pHISO = 参比电解质的氢离子浓度;请参阅探头文档;范例pHISO = 7

此方程注解孕育发生的电压以已知要领随pH值变更。还注解孕育发生的电压与溶液温度成正比。跟着溶液温度上升,两个电极之间的电位差增大年夜,反之亦然。抱负的pH探针在25°C下会孕育发生±59.154 mV/pH单位。

温度变更也可能改变丈量电极的灵敏度,进而引起丈量偏差。该偏差是可猜测的,并且可经由过程全温度范围内的探针校准和后续丈量时代的温度校对来办理。温度传感器平日集成到pH探针中。温度传感器可所以负温度系数(NTC)热敏电阻或RTD,如PT100或PT1000。图3所示为带有温度传感器的pH探针。

图3.带有温度传感器的pH探针。

假如温度传感器丈量到温度变更,则会向终极的pH读数利用校对系数,然后仪表将显示校对后的更准确的读数。该机制能够很好地补偿因为温度变更引起的pH值偏差。

采纳ADuCM355的pH丈量单元

图4.集成温度传感器连接到ADuCM355的pH探针。

这是业界高度集成的先辈化学传感器丈量前端,它为pH值丈量供给了一个平台办理规划,并且将所有需要的丈量功能与低功耗微处置惩罚器相集成。ADuCM355是一款低功耗丈量平台,尺寸很小,足以集成在传感器外壳内,而功能和机能堪比台式仪器。图4显示了ADuCM355的pH值丈量板,此中的BNC和RCA连接器用于连接pH探针和温度传感器。该丈量板来自CN-0428 参考设计,更多相关详情见图5。

图5.具有BNC和RCA连接器的ADuCM355 pH值丈量PCB

将pH值丈量传感器节点连接到SmartMesh

经由过程将ADuCM355和ADI SmartMesh收发器相结合,我们创建了一个小型低功耗pH值丈量传感器节点。ADuCM355将测得的pH数据作为数字输出。然后,该数字数据经由过程UART连接到ADI的LTP5902 SmartMesh IP无线收发器。 LTP5902 经由过程SmartMesh收集将数字数据传输至SmartMesh IP治理器。

图6.PH传感器连接到ADuCM355和SmartMesh无线传感器节点。

SmartMesh是ADI基于IEEE 802.15.4e标准的专有2.4 GHz多跳无线Mesh收集办理规划。其包括AES 128加密和身份验证,从而供给靠得住的端到端安然性。它具有超低功耗和高能效,使每个传感器节点都可以经由过程电池供电运行。

SmartMesh收集应用时隙信道跳频(TSCH)链路层进行通信,该链路层可供给三重播放冗余。SmartMesh收集治理器(网关的一部分)全天候和谐计划,治理安然性,履行无线编程(OTAP),并自动优化连接。该收集治理器还经由过程API供给具体的收集运行状况申报。对付小型收集,一个嵌入式治理器可支持多达100个传感器节点(也称为终端)。而VManager支持多达50,000个节点的大年夜型安装。

图7.传感器节点和收集IP治理器在网关内的SmartMesh收集。

严格的收集压力测试可确保99.999%以上的数据靠得住性,使SmartMesh成为工业无线传感器收集的抱负办理规划,能够维持高收集靠得住性,同时不丢包。

无线水质监测系统:

图8.应用ADuCM355和SmartMesh的无线水质监测系统。

图8所示的无线水质收集演示包孕:

四个传感器节点:

■每个传感器节点都包孕一个现成的玻璃电极pH探针,并且集成温度传感器连接到ADuCM355和SmartMesh IP终端,如图6所示。

■pH探针检测pH值,ADuCM355履行丈量和谋略,并以数字输出供给测得的pH值,然后经由过程无线SmartMesh收集传输至SmartMesh IP治理器。

■SmartMesh IP治理器经由过程USB连接到PC。

此系统中的网关由PC履行。该PC安装了Node-Red和SmartMesh SDK。 SmartMesh SDK用于创建JavaScript object notation (JSON)办事器以存储该数据,JSON办事器连接到Node-RED。Node-RED用于显示从每个传感器节点测得的pH数据,并容许连接到IBM Watson、Amazon AWS等云办事。

硬件设置

图9.无线水质收集。

出于演示目的,我们应用的是错列三格鱼缸,水从顶格流到后面每格。每格中都插入一个pH传感器探针。我们在远处参考溶液中放置了第四个探针(图9未显示),以表示SmartMesh远程无线通信。当我们改变顶格中溶液的pH值时,Node-RED上的数据随之更新,显示新的pH值。因为新的pH溶液从顶格流到后面每格,其他两个pH传感器也会更新其丈量值,屏幕上显示其数据。因为第四个传感器位于pH值没有变更的参考溶液中,是以该传感器的读数不变。以下各节供给了有关Node-RED和测得数据的更多信息。您也可以在此处查看演示记录。

图10.传感器节点。

丈量数据:

4个传感器节点的pH丈量值经由过程Node-RED显示在PC上。

Node-RED是一个具有Web浏览器的编程对象,容许连接硬件设备、API和其他在线办事。演示的JSON流如图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丈量数据。

图14. pH丈量数据推文。

结论

本文先容应用ADI的ADuCM355和SmartMesh IP技巧的无线水质监测系统。这些产品具有小尺寸和低功耗特点,是以传感器节点可以由电池供电。纵然在恶劣的外部情况中,采纳稳健的SmartMesh技巧也能靠得住地传输数据。该演示阐清楚明了一个高度靠得住的无线监测系统以及云连接。对付不合的终极利用,都极具利用前景,使用该技巧,不仅能够在难以靠近的位置监测水质,为不合的水质阈值创建警报和警告,还能够使用丈量数据持续得到更多靠得住的水质信息。

参考文献

CN-0398:带温度补偿功能的土壤湿度和pH值丈量系统。ADI公司,2020年1月。

CN-0409:低至高水平水浊度丈量系统。ADI公司,2020年1月。

IBM Watson物联网平台。IBM CorporaTIon,2019年。

Kämmerer, Christoph。液体丈量——从水到血液。ADI公司,2019年10月。

Node-RED:事故驱动型利用的低代码编程。Node-RED,2020年1月。

Tzscheetzsch, Thomas。“带有温度补偿功能的隔离式pH监测仪。”ADI公司,2019年7月。

水质。Fondriest Environmental, Inc.,2020年1月。

@Pd2019S。“传感器4的pH值为6.877,光阴戳2019-11-06 18:13:55.593000。”

Twitter,2019年11月,下昼6:13。

申谢

在此谢谢Scott Hunt和Bill Lindsay在演示开拓时代供给的赞助,以及拨冗审阅本文。同时谢谢Dan Braunworth和Dan Burton赞助审阅和校正本文,并提出了宝贵的意见和建议。

作者简介

Piyu Dhaker是ADI公司北美中间利用部的一名利用工程师。2007年卒业于圣何塞大年夜学,获电气工程硕士学位。2017年6月加入北美核心利用部门。她还曾在ADI的汽车动力总成部和电源治理部事情。

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