基于ZigBee的堿液質(zhì)量分數(shù)在線檢測系統(tǒng)設(shè)計

董方武，王紹卜，馬子余

(1.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 寧波 315211；2.浙江萬里學(xué)院，浙江 寧波 315100)

0 引 言

在化工及紡織生產(chǎn)中，需要對工藝中的堿液質(zhì)量分數(shù)進行實時檢測，由于堿液質(zhì)量分數(shù)的變化大，對不同的工藝堿液質(zhì)量分數(shù)的檢測需要使用不同的檢測方法，如密度法、折光法、電導(dǎo)法和滴定法等.而這些檢測方法具有一定的局限性，檢測時需要使用不同的檢測設(shè)備[1]，同時，需要引出工作液，引出機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝和維護也不方便，實時性較差，設(shè)備成本較高，檢測精度一定程度受到工藝擾動的影響.根據(jù)電化學(xué)原理，可通過測量工作液中OH-離子濃度達到檢測堿液質(zhì)量分數(shù)的目的.這種方法可直接檢測工作液的堿液質(zhì)量分數(shù)，且基本不受工作液的擾動和其他因素的影響[2].

堿液質(zhì)量分數(shù)自動檢測一般使用基于單片機的檢測系統(tǒng)，檢測信號使用有線方式傳輸，系統(tǒng)抗干擾、抗惡劣工作環(huán)境性能較差.因此，設(shè)計一種低成本、抗干擾、抗惡劣工作環(huán)境、可靠性高的堿液質(zhì)量分數(shù)檢測設(shè)備，對提高生產(chǎn)工藝中堿液質(zhì)量分數(shù)檢測的性能具有一定的意義.ZigBee技術(shù)作為一種新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別適合應(yīng)用在數(shù)據(jù)量小、數(shù)據(jù)格式簡單、實時性要求高、工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣、布線與供電不方便、監(jiān)控點多且呈簇狀分布的監(jiān)控系統(tǒng)中[3].本文針對堿液質(zhì)量分數(shù)的實時性要求，設(shè)計一種基于ZigBee技術(shù)的堿液質(zhì)量分數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng).

1 檢測原理

根據(jù)電化學(xué)原理，金屬在酸堿鹽溶液中與溶液之間存在一定的電位，該電位與溶液中離子濃度之間存在一定的對數(shù)關(guān)系[4].在NaOH溶液中插入金屬鐵形成一個原電池，如圖1所示，在金屬Fe和NaOH溶液之間存在一電極電勢.根據(jù)實驗，當溫度變化到某一值時，金屬上的電勢可用下式表示：

E=(0.0592/n)lgK+C

(1)

式(1)中：C為金屬常數(shù)，其值與金屬材料有關(guān).因此根據(jù)式(1)測量金屬上的電勢，即可計算出溶液的質(zhì)量分數(shù)[5].

圖1 金屬電勢測量原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 檢測系統(tǒng)原理

基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的堿液質(zhì)量分數(shù)檢測系統(tǒng)框圖如圖2所示，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形拓撲結(jié)構(gòu).系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為兩類：一類是主節(jié)點，另一類為從節(jié)點，可通過軟件方式設(shè)置，傳感器節(jié)點設(shè)置為簡化功能節(jié)點(RFD)，主要功能是數(shù)據(jù)采集與發(fā)送；主節(jié)點及路由節(jié)點設(shè)置為全功能節(jié)點(FFD)[6]，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理、指令控制與數(shù)據(jù)收發(fā).系統(tǒng)中的從節(jié)點與傳感器集成，路由節(jié)點位置相對固定，主節(jié)點與主控制器或計算機系統(tǒng)集成.該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活，傳感器節(jié)點可以是一個，也可以是多個或多組，當檢測節(jié)點與主節(jié)點間距離較短時，可省去路由節(jié)點.

傳感器節(jié)點通過堿液質(zhì)量分數(shù)、溫度傳感器采集工作液的質(zhì)量分數(shù)和溫度信息，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過節(jié)點的處理器處理后，以無線方式傳輸?shù)街鞴?jié)點.主節(jié)點對所接收傳感器節(jié)點的信息進行處理后，將質(zhì)量分數(shù)和溫度信息在LCD上顯示，同時通過數(shù)據(jù)接口電路將傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破骰蛴嬎銠C系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和存儲.

圖2 堿液質(zhì)量分數(shù)檢測系統(tǒng)框圖

2.2 傳感器節(jié)點電路設(shè)計

傳感器節(jié)點的基本電路如圖3所示.堿液質(zhì)量分數(shù)檢測電路使用兩個高輸入、輸出阻抗的斬波穩(wěn)零運算放大器ICL7650[7]U4和U5組成差動放大電路，其輸入阻抗在1012Ω以上，使輸入信號不受電路阻抗變化的影響.由于ICL7650利用動態(tài)校零技術(shù)消除了CMOS器件固有的失調(diào)和漂移,從而擺脫了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零電路的束縛,克服了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零放大器的缺點，使該電路具有有效抑制共模噪聲的干擾，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境.放大器供電電壓為5 V，通過調(diào)節(jié)PR4、PR5、PR6的阻值使U5輸出電壓為0～3.3 V.

溫度檢測電路采用AD590[8](U1)作為溫度傳感器，溫度檢測范圍-55～+150 ℃,有較寬的電源電壓適應(yīng)能力，放大器采用ICL7 560(U2)，通過調(diào)節(jié)PR1和PR3來調(diào)整溫度檢測范圍，使U2的輸出在0～3.3 V ，PR3用于調(diào)節(jié)U2的輸入失調(diào)，電源由U7及U8提供±5 V電壓.

數(shù)據(jù)處理與傳輸電路采用基于ZigBee技術(shù)的CC2 430[9]芯片，內(nèi)含與8051兼容的CPU、8/14位的ADC、128KB的RAM及符合IEEE802.15.4標準的RF無線收發(fā)機.由U2和U5輸出的信號分別通過P0_1和P0_0輸入至U6內(nèi)部的ADC進行A/D轉(zhuǎn)換.當U6接到主節(jié)點的數(shù)據(jù)采集指令時，啟動中斷處理程序，在一段連續(xù)時間內(nèi)對濃度和溫度電壓信號采樣，然后對所采集的數(shù)據(jù)進行等精密度處理[10]，將處理后的質(zhì)量分數(shù)和溫度數(shù)據(jù)存儲到指定的存儲單元，再以一定的數(shù)據(jù)格式經(jīng)CC2430的RF模塊傳輸至主節(jié)點.

圖3 堿液質(zhì)量分數(shù)與溫度檢測基本電路

為了消除工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾，電極與處理電路之間的連接線路要求盡量短，并采用屏蔽線的方式減少干擾.

2.3 主節(jié)點電路設(shè)計

數(shù)據(jù)接收與處理基本電路如圖4所示.U3采用CC2430芯片作為網(wǎng)絡(luò)控制器，負責(zé)數(shù)據(jù)采集指令控制與數(shù)據(jù)傳輸及處理.通過U3計時器中斷向傳感器節(jié)點發(fā)送檢測指令，傳感器節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過RF模塊的處理后，存儲到CC2430的指定存儲單元，再調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序，按式(1)計算被測堿液的質(zhì)量分數(shù)，然后通過P1_1、P1_4、P1_5、P1_6和P2_0輸出到液晶顯示器顯示對應(yīng)檢測節(jié)點的堿液質(zhì)量分數(shù).同時將檢測節(jié)點的質(zhì)量分數(shù)數(shù)據(jù)通過P0_2～P0_5輸出到計算機系統(tǒng)，由計算機系統(tǒng)進行存儲和相應(yīng)的處理.液晶顯示器采用TBG128064F型帶中文字庫的顯示模塊.U2為RS232串行接口電路，采用MAX232接口芯片，實現(xiàn)與上位機之間的通信.電源供電為5 V電壓，通過U1向U3提供3 V的高精度電源.S1為復(fù)位按鈕，復(fù)位時經(jīng)過一段延時后開始節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)的初始化.

圖4 數(shù)據(jù)接收與處理基本電路

2.4 軟件設(shè)計

堿液質(zhì)量分數(shù)檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計.檢測節(jié)點的流程如圖5所示，主要功能是進行堿液質(zhì)量分數(shù)數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)發(fā)送等；主節(jié)點的流程如圖6所示，由網(wǎng)絡(luò)管理、無線發(fā)射與接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸模塊等組成，在數(shù)據(jù)處理時根據(jù)式(1)計算工作液的質(zhì)量分數(shù).

圖5 傳感器節(jié)點流程圖

圖6 主節(jié)點流程圖

3 檢測結(jié)果分析

使用上述檢測電路測試堿液質(zhì)量分數(shù)的范圍為0～42，檢測堿液質(zhì)量分數(shù)的實驗樣本為：0、0.25、0.07、0.11 5、0.17 5、0.23、0.275、0.325、0.375、0.42共10份，其中0和0.42質(zhì)量分數(shù)的液體用于調(diào)整檢測電路的輸出信號從0 V至3.3 V,檢測結(jié)果如表1所示.

表1 堿液質(zhì)量分數(shù)檢測結(jié)果

4 結(jié) 語

該堿液質(zhì)量分數(shù)檢測系統(tǒng)采用基于ZigBee的無線傳感器技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸使用無線方式，有效地克服了工業(yè)現(xiàn)場各種干擾，具有實時在線連續(xù)測量、操作方便、使用靈活、檢測濃度范圍廣、測量精度高等特點.該系統(tǒng)不僅用于檢測堿液質(zhì)量分數(shù)，還可用于檢測酸液質(zhì)量分數(shù)，在紡織、化工等行業(yè)生產(chǎn)中具有很好的應(yīng)用價值.

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