重金屬監(jiān)測(cè)的光學(xué)單元無(wú)線化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究*

牛立群,王偉明,喻 言*,黃 輝,白 敏,王 兵

(1.大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116024;2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司檢修公司,長(zhǎng)春 130000)

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重金屬監(jiān)測(cè)的光學(xué)單元無(wú)線化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究*

牛立群1,王偉明1,喻 言1*,黃 輝1,白 敏1,王 兵2

(1.大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116024;2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司檢修公司,長(zhǎng)春 130000)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),結(jié)合光學(xué)測(cè)量高精度的特性,設(shè)計(jì)了一套用于重金屬監(jiān)測(cè)的無(wú)線化系統(tǒng)。首先,完成了無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì);其次,在分析光學(xué)傳感單元的特性及機(jī)理基礎(chǔ)上,采用模塊化設(shè)計(jì)方法,進(jìn)行了光學(xué)無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)的各個(gè)單元硬件設(shè)計(jì)和相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì);最后,對(duì)無(wú)線系統(tǒng)進(jìn)行了功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明,所設(shè)計(jì)的光學(xué)無(wú)線化系統(tǒng)具有精度高、低成本、低功耗、布設(shè)便捷等優(yōu)點(diǎn),在重金屬監(jiān)測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

光學(xué)測(cè)量;重金屬監(jiān)測(cè);無(wú)線化系統(tǒng);光學(xué)傳感單元

隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展,大氣、土壤、水環(huán)境中均存在重金屬污染,重金屬污染已逐漸成為危害最大的污染問(wèn)題之一[1]。水中的重金屬污染,是指排入水中的重金屬物質(zhì)超過(guò)了水的自凈能力,不僅使水的性質(zhì)發(fā)生變化,還會(huì)影響人類的生活和健康[2-4]。例如被重金屬污染的海水中的海鮮,若被人們所食用,輕者會(huì)使人類中毒,嚴(yán)重會(huì)危及生命,六價(jià)鉻在人體內(nèi)可致癌并可能誘發(fā)基因突變。因此,監(jiān)測(cè)水中的重金屬含量對(duì)環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展和人類健康生活具有重要意義[5-7]。

對(duì)重金屬污染,目前應(yīng)用較為廣泛的一些分析方法主要有:電化學(xué)方法、原子熒光光度法、原子吸收光譜法等[7-8],這些方法不僅操作復(fù)雜,而且需要時(shí)間長(zhǎng)。若取樣本運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室檢測(cè)、分析,更可能會(huì)錯(cuò)過(guò)檢測(cè)的最佳時(shí)間,造成更大的損失。因此,開(kāi)發(fā)一套對(duì)重金屬污染實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的綜合系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

利用光學(xué)手段監(jiān)測(cè)重金屬污染,具有無(wú)標(biāo)記、實(shí)時(shí)性好、布設(shè)便捷等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái),隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)技術(shù)的迅速發(fā)展,由最初在軍事上的應(yīng)用,現(xiàn)在已經(jīng)逐步拓展到土木工程智能監(jiān)測(cè)、醫(yī)用監(jiān)測(cè)、以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[9-10]?；诖?本文設(shè)計(jì)了一款基于光學(xué)傳感單元用于重金屬監(jiān)測(cè)的無(wú)線化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),系統(tǒng)包括嵌入式硬件及軟件的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線方式,避免了傳統(tǒng)有線方式的布線繁瑣,拆卸困難等缺點(diǎn)。配合了自主開(kāi)發(fā)的上位機(jī)采集軟件,可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)水質(zhì),并實(shí)時(shí)處理所采集的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)重金屬污染快速測(cè)試、實(shí)時(shí)分析等功能,提高了測(cè)量精度,降低了設(shè)備造價(jià)。

1 光學(xué)傳感單元的無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)線系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)和基站組成。節(jié)點(diǎn)包括光學(xué)傳感單元、光學(xué)傳感單元的接口單元、微處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、無(wú)線通信單元及電源管理單元。另外,所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)可靠性高、可循環(huán)充電,其硬件電路具有隔離和短路保護(hù)功能。水中的重金屬檢測(cè)信號(hào)被光學(xué)傳感單元感知,由光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào),經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),被微處理單元處理、打包以無(wú)線的方式傳輸?shù)交?。無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.2 光學(xué)傳感單元機(jī)理分析

節(jié)點(diǎn)的光學(xué)傳感單元部分有兩個(gè)液體通道分別流入待測(cè)液和參考液,由三通閥切換。激光光源主要產(chǎn)生光源,實(shí)驗(yàn)采用綠光光源。激光探測(cè)部分主要采用光電探測(cè)二極管,將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),作為節(jié)點(diǎn)的輸入信號(hào)[11-12]。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

朗伯比爾定律的核心是一束單色光照射吸收介質(zhì),通過(guò)了一定厚度的吸收介質(zhì)后,吸收介質(zhì)吸收一部分光能,使透過(guò)的光的光強(qiáng)減弱。透過(guò)的光的光強(qiáng)的強(qiáng)度大小與吸收介質(zhì)濃度和吸收介質(zhì)厚度有關(guān)[12-14]。透過(guò)液體的光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為電壓值,金屬波導(dǎo)管光度計(jì)的吸光度計(jì)算公式如式(1)所示:

(1)

式中:A為金屬波導(dǎo)管光度計(jì)的吸光度,Vblank為通標(biāo)準(zhǔn)液時(shí),透過(guò)參考液的光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電壓值,Vcolor為通待測(cè)液時(shí),透過(guò)待測(cè)液的光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電壓值,Vdark為沒(méi)有光照射時(shí)光電探測(cè)器的輸出電壓值,實(shí)驗(yàn)測(cè)得為2.823mV。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

1.3 基于光學(xué)傳感單元的無(wú)線采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

處理器采用16 bit超低功耗芯片msp430F5438,其采用了精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu),具有豐富的尋址方式,低電壓供電范圍為2.2 V～3.6 V?？蛇x擇多種時(shí)鐘系統(tǒng),內(nèi)部4個(gè)USCI可以配置成SPI,USART,I2C。具有100個(gè)I/O引腳。其豐富的片內(nèi)資源不僅滿足系統(tǒng)的要求,還為今后的系統(tǒng)功能擴(kuò)展提供了保障。

傳感器可由外接220 V/24 V電源供電,也可24 V電池供電,可抗工頻50 Hz干擾,由于節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊組成單元不同,故將電壓變換為+24 V,+12 V,+3 V,+3.3 V。

通訊單元采用以CC2530為核心,基于Zigbee技術(shù)開(kāi)發(fā)的2.4 GHz無(wú)線收發(fā)模塊,可靠傳輸距離可達(dá)150 m。發(fā)射功率4.5 dBm,休眠模式處于低功耗狀態(tài),真正降低節(jié)點(diǎn)的功耗。

數(shù)據(jù)采集模塊采用高精度24 bit的ADS1248,其數(shù)據(jù)輸出速率可編程控制,最高可達(dá)2 KSPS,滿足系統(tǒng)的要求,數(shù)據(jù)采集單元由MAX4051A進(jìn)行通道選擇,然后通過(guò)隔離變送器進(jìn)行信號(hào)隔離,再通過(guò)ADS1248進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,隔離變送器內(nèi)部采用電磁隔離技術(shù),相比光耦隔離具有更好的溫漂特性和線性度。電路圖如圖3所示。

圖3 AD轉(zhuǎn)換電路圖

2 基于光學(xué)傳感單元的無(wú)線采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于光學(xué)傳感單元的無(wú)線傳感器采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由兩部分組成:基于光學(xué)傳感單元的無(wú)線傳感器的嵌入式程序與主控端PC機(jī)上的數(shù)據(jù)采集軟件。

2.1 無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)的嵌入式程序

嵌入式程序主要由ADC驅(qū)動(dòng)程序、存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)程序、無(wú)線驅(qū)動(dòng)程序、以及數(shù)據(jù)分析與處理等程序組成,接收控制中心的開(kāi)始采集命令和參數(shù)設(shè)置指令,完成傳感器節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)定。開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,存儲(chǔ),發(fā)送等操作。工作時(shí),傳感器節(jié)點(diǎn)上電后首先進(jìn)行各個(gè)模塊單元的初始化,然后將無(wú)線模塊設(shè)置為接收狀態(tài)。等待控制中心發(fā)來(lái)的參數(shù)命令和采集指令。接收到指令后,開(kāi)始進(jìn)入采集狀態(tài),采集過(guò)程中無(wú)線模塊仍會(huì)處于接收狀態(tài),以對(duì)主控端在傳感器采集過(guò)程中發(fā)出的參數(shù)變化做出及時(shí)的響應(yīng)。直到接收到主控端的停止采集指令后停止采集。

圖4 節(jié)點(diǎn)程序流程圖

程序流程圖如圖4所示。

2.2 主控端采集軟件

主控端采集軟件主要功能有:對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)參數(shù)的設(shè)置,波形顯示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出及存儲(chǔ),以及對(duì)數(shù)據(jù)擬合等功能。主控端的采集軟件界面如圖5所示。

圖5 采集軟件界面

圖6 不同濃度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

參數(shù)設(shè)置主要包括對(duì)IP號(hào),端口號(hào),采樣速率,采集精度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。波形顯示實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)將采集到數(shù)據(jù)導(dǎo)出到文件中。數(shù)據(jù)擬合實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.3 數(shù)據(jù)擬合算法

①采集一個(gè)周期到3個(gè)周期后,在上位機(jī)數(shù)據(jù)擬合區(qū)輸入擬合區(qū)間的起始點(diǎn)。

②分別在擬合區(qū)間起始點(diǎn)的右面取100個(gè)點(diǎn),用最小二乘法擬合兩條直線,式(2)、式(3)所示:

(2)

(3)

③取橫坐標(biāo)的中點(diǎn)值代入第2步中的直線中,計(jì)算出Vblank和Vcolor,并將其代入式(1)中,計(jì)算出吸光度。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)傳感器機(jī)理特性可知,待測(cè)量的溶液需要帶有顏色,能吸收一部分光源產(chǎn)生的光。對(duì)重金屬測(cè)量時(shí)需要加入適量的顯色劑,而紅墨水顯紅色,并易于獲取,實(shí)驗(yàn)室采用不同濃度的紅墨水溶液替代重金屬溶液進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),并配置了五組不同濃度的紅墨水,以1∶4的配比將紅墨水與去離子水混合作為第2次溶液,以后每次溶液在前一次溶液的基礎(chǔ)上稀釋五倍,共配置十組溶液,取第6次到第10次作為實(shí)驗(yàn)樣本。將紅墨水作為待測(cè)液,去離子水作為參考液。實(shí)驗(yàn)前先調(diào)試傳感器,待傳感器穩(wěn)定之后,通參考液,光源探測(cè)系統(tǒng)會(huì)探測(cè)透過(guò)參考液的光,并轉(zhuǎn)換為電壓值,通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示。3 min過(guò)后,切換為待測(cè)液,再次測(cè)試3 min,測(cè)試數(shù)個(gè)周期后。保存數(shù)據(jù)。截取部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

隨著濃度變低,透過(guò)樣本的光的光強(qiáng)增大,因此,通待測(cè)液時(shí),經(jīng)光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化后的電壓值更接近通參考液時(shí)轉(zhuǎn)化的電壓值,計(jì)算出吸光度的值越小,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相契合。

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有的重金屬監(jiān)測(cè)方法存在的一些不足,本文利用光學(xué)測(cè)量高精度的特性,并結(jié)合無(wú)線傳輸?shù)目煽啃?從系統(tǒng)硬件,嵌入式軟件兩個(gè)方面設(shè)計(jì)一套無(wú)線化系統(tǒng)。由于紅墨水溶液易于獲取,根據(jù)傳感器的機(jī)理特性分析,采用紅墨水替代重金屬溶液對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證具有一定的說(shuō)服力。驗(yàn)證結(jié)果表明系統(tǒng)具有采集精度高,低功耗,布設(shè)便捷,攜帶方便的優(yōu)勢(shì),同時(shí)結(jié)合自主研發(fā)的上位機(jī)軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析處理。節(jié)點(diǎn)性能參數(shù)如表2所示。該無(wú)線化系統(tǒng)為重金屬監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供了技術(shù)支持,具有良好的應(yīng)用前景。

表2 系統(tǒng)性能參數(shù)

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牛立群(1992-),男,大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在讀研究生。研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),392345617@qq.com;

王偉明(1986-),男,大連理工大學(xué)博士研究生,主要研究方向?yàn)楸銛y式顯微成像技術(shù)研究與儀器研制等,wwm_warmly@163.com;

喻 言(1977-),男,教授,博士,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等,yuyan@dlut.edu.cn。

Design and Research of Wireless System for Heavy Metal Monitoring based on Optical Sensor Unit*

NIULiqun1,WANGWeiming1,YUYan1*,HUANGHui1,BAIMin1,WANGBing2

(1.College of Electronic Science and technology,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116024,China;2.State Grid JILIN Maintenance Company,Changchun,Changchun 130000,China)

This paper described the implementation of a wireless system for the heavy metal monitoring in the water based on the high-precision optical measurement characteristics and wireless sensor network technology. Firstly,the architecture of wireless sensor nodes was designed for monitoring. Secondly,by using a modular design method,the features and mechanism of optical sensing unit had been analyzed,moreover,the hardware design and embedded software design of the optical wireless sensor node were developed for the system. Finally,the performance of the system was assessed. The test results illustrate that,the system developed in the study can exhibit good behavior with high-precision,low cost and low power consumption,and it is expected to be a valuable and practical technology deployed in the heavy metal monitoring field.

optical measurement;heavy metal monitoring;wireless system;optical sensor unit

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51678108);大連理工大學(xué)2015年度基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)重點(diǎn)類項(xiàng)目(DUT15ZD117);遼寧省高校優(yōu)秀人才計(jì)劃(LJQ2015028)

2016-08-08 修改日期:2016-11-07

TN92

A

1004-1699(2017)03-0433-05

C:4180;7210G;7220

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.03.017