在線式多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)

吳 迪,楊 昊

(中國計量大學 信息工程學院,浙江 杭州 310018)

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展越來越快,隨之而來的環(huán)境問題也成了大家日常談論的話題焦點,特別是與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P的水資源,國家對這方面給予了足夠的重視,同時,隨著人們生活水平的提高,我國漁業(yè)的發(fā)展也越來越迅速[1-5],未來的水產(chǎn)養(yǎng)殖將朝著規(guī)?；?、現(xiàn)代化發(fā)展,但是養(yǎng)殖水質(zhì)的環(huán)境條件直接影響了魚類的生長,這時開發(fā)一款實時檢測水質(zhì)參數(shù)的系統(tǒng)就顯得尤為重要了.

水質(zhì)常用監(jiān)測指標有氨氮、總磷、COD、溶氧量、電導率、溫度、pH、水位等,由于實際應用和項目需求,本文設計了一款多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)對幾個常見的水質(zhì)參數(shù),如：電導率、溫度、pH、ORP和水位五個參數(shù)進行監(jiān)測,并以此通過恒溫槽[1]、電導率調(diào)節(jié)物質(zhì)(KCl)、pH調(diào)節(jié)物來調(diào)節(jié)相關參數(shù)[2],根據(jù)相關國家標準,標定相關參數(shù),提高設計的準確性[3-5].在設計中選取符合設計參數(shù)的相關傳感器,配置相應的調(diào)理電路,數(shù)據(jù)由以STM32F103為核心的處理器采集并分析,然后通過RS485通信,將處理之后的數(shù)據(jù)送到上位機顯示,進行實時的監(jiān)測與分享.

1 系統(tǒng)的整體框架設計

在線式多參數(shù)水質(zhì)檢測系統(tǒng)主要由三個部分構成,數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分,數(shù)據(jù)顯示和分析部分,系統(tǒng)整體框架如圖1.

圖1 系統(tǒng)整體框架Figure 1 System overall framework

數(shù)據(jù)采集部分：數(shù)據(jù)采集部分主要以五個水質(zhì)參數(shù)探頭為主,將實時采集的數(shù)據(jù)通過電壓的形式,輸送到數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)據(jù)處理.

數(shù)據(jù)處理部分：數(shù)據(jù)處理部分主要以STM32F103處理器為核心,配以相應的A/D轉換芯片,將傳感器采集上來的數(shù)據(jù)進行處理,打包,等待上位機的命令上傳.

數(shù)據(jù)顯示和分析部分：給下位機發(fā)送數(shù)據(jù)上傳指令和相應的傳感器數(shù)據(jù)標定指令,將打包的數(shù)據(jù)接收上來,對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲并對數(shù)據(jù)進行分析.

2 硬件設計

系統(tǒng)的硬件設計主要有四個模塊：對傳感器采集上來的電壓信號進行調(diào)理放大是一個模塊,簡稱信號調(diào)理模塊;A/D轉換模塊;電源模塊;數(shù)據(jù)通信模塊.硬件設計框圖如圖2.

圖2 硬件設計框圖Figure 2 Hardware design block diagram

電源模塊：為了保證傳感器小信號采集的可靠性,電源系統(tǒng)考慮將數(shù)字信號和模擬信號分開,采用DC-DC隔離電源設計方案.由于整個系統(tǒng)要求低功耗,所以每路傳感器采集電路都是電源可控的,系統(tǒng)總電源為12 V,通過LM2675、LM2733、ASM1117-3.3V、LM385、ADUM5000、ADUM5402、REF3125等一系列降壓、升壓和電壓轉換芯片,將12 V電壓分配給各個模塊,這樣既可以滿足各個模塊的正常供電,也有效的實現(xiàn)了電氣隔離.

信號調(diào)理模塊：根據(jù)各個傳感器的輸出信號的量程,采用不同的放大電路、電壓跟隨電路、濾波電路等,選用相匹配的電子元器件,對信號進行初步調(diào)理,使之能夠有效的進行后端的軟件處理,并保證數(shù)據(jù)的準確性.

A/D轉換模塊：A/D轉換模塊主要有兩個,溫度、pH、ORP、溶氧傳感器使用的是外部A/D芯片ADS1241,電導率使用的是STM32F103的內(nèi)部A/D轉換芯片.ADS1241芯片具有八個采集通道,與STM32F103之間采用SPI通訊方式,為了提高通信的準確性,中間還使用了ADUM1200進行數(shù)據(jù)隔離.

數(shù)據(jù)通信模塊：上位機與下位機的通訊采用RS485通訊,通訊協(xié)議采用MODBUS協(xié)議,485芯片采用的是MAX13487,為防止來自上位機串口的脈沖的和電泳,數(shù)據(jù)傳輸電路輔之以齊納管和保險絲,同時為了整個通訊電路的安全和調(diào)試的方便,并保證數(shù)據(jù)的準確性,使用ADUM5402對整個通信模塊進行電氣隔離.

3 軟件設計

軟件設計主要介紹的內(nèi)容包括系統(tǒng)工作總流程、下位機數(shù)據(jù)采集工作流程以及相關的通信協(xié)議的制定.

整個在線式多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)最大的一個特點就是數(shù)據(jù)監(jiān)測的實時性,如圖3系統(tǒng)工作總流程所示,整個系統(tǒng)初始化完成之后,上位機根據(jù)MODBUS協(xié)議每隔1 min向下位機發(fā)送一次上傳數(shù)據(jù)的命令.下位機每隔20 s對傳感器數(shù)據(jù)進行一次采集處理,并將采集到的數(shù)據(jù)按照MODBUS協(xié)議規(guī)定的格式保存在相應的寄存器空間內(nèi),如果下位機收到了來自上位機的的上傳數(shù)據(jù)命令,就會將事先存儲在寄存器里的數(shù)據(jù)打包,通過RS485通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機上.上位機將數(shù)據(jù)實時顯示出來,方便我們進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析.

圖3 系統(tǒng)工作總流程Figure 3 System work process

下位機傳感器參數(shù)采集系統(tǒng)是整個傳感器采集系統(tǒng)中最重要的部分,其工作流程如圖4,整個流程以STM32內(nèi)部的滴答定時器時鐘為主線,滴答定時器中斷每1 ms觸發(fā)一次,這時STM32內(nèi)部的AD模塊會完成對電導率值進行一次采樣,并將采樣結果保存在內(nèi)部FLASH中.如果電導率數(shù)據(jù)采集5次以上,則會觸發(fā)外部中斷,并進行外部AD1241的采集,采集完畢發(fā)送標志位.當20 ms以后,系統(tǒng)會檢查上位機是否發(fā)送上傳數(shù)據(jù)的請求,且發(fā)送寄存器中有數(shù)據(jù)則上傳數(shù)據(jù).當100 ms以后,如果AD1241已經(jīng)進行了數(shù)據(jù)采集,則開始讀取電導率的值,讀取完畢后,發(fā)送讀取完畢標志位.當500 ms以后,則會對所有采集上來的數(shù)據(jù)值配以相應的算法,計算出它們的模擬值,并進行優(yōu)化處理,然后打包上傳到發(fā)送寄存器中等待發(fā)送.

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式的介紹：

1)Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言.通過此協(xié)議,控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(例如WIFI)和其它設備之間可以通信[6-11].它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標準.許多工業(yè)設備,包括PLC、DCS、智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通信標準.所以本系統(tǒng)也搭載了Modbus協(xié)議其讀取數(shù)據(jù)幀格式如表1,主要包括地址碼、功能碼、起始寄存器高字節(jié)、起始寄存器低字節(jié)、寄存器數(shù)量高字節(jié)、寄存器數(shù)量低字節(jié)、CRC校檢高字節(jié)、CRC校檢低字節(jié).其發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式如表2,主要包括地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)位個數(shù)、數(shù)據(jù)字段、CRC校檢高字節(jié)、CRC校檢低字節(jié).

表1Modbus協(xié)議讀取數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)幀的格式

Table 1 Format of Modbus protocol read data data frame

地址碼功能碼起始寄存器高字節(jié)起始寄存器低字節(jié)寄存器數(shù)量高字節(jié)寄存器數(shù)量低字節(jié) CRC校檢高字節(jié) CRC校檢低字節(jié)

表2 Modbus協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)幀的格式

圖4 下位機數(shù)據(jù)采集工作流程Figure 4 Lower computer data collection workflow

4 系統(tǒng)傳感器參數(shù)的標定

4.1 電導率傳感器的標定

根據(jù)電導率傳感器的工作原理,選擇不同梯度的溶液進行標定測試[5],通過美國哈希電導率儀測試的數(shù)據(jù)和本系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)進行標定擬合,電導率測試數(shù)據(jù)表如表3.

表3 電導率測試數(shù)據(jù)

根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)利用origin軟件進行曲線擬合,兩者曲線擬合圖如圖5.

圖5 哈希和本系統(tǒng)所測試的電導率的曲線擬合圖Figure 5 Curve fitting of conductivity tested by HACH and the system

根據(jù)擬合后的曲線可以獲取兩者的相關線性關系如下：

E1=0.708×E2+48.627.

(3)

式(3)中:E1為本系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù),E2為哈希電導率儀測得的數(shù)據(jù)隨后將獲取的兩者的關系曲線系數(shù)寫入到軟件中.在軟件中便可以將采集到的電壓值直接存在寄存器,可以直觀的獲取水質(zhì)的電導率值.

4.2 pH傳感器的標定

根據(jù)pH傳感器的工作原理,選擇不同梯度的標準溶液進行標定測試[2-4],系統(tǒng)測得的電壓值如表4.

表4 pH測試數(shù)據(jù)

根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)利用origin軟件進行曲線擬合,pH值和電壓值的曲線擬合圖如圖6.

圖6 pH值和電壓值的曲線擬合圖Figure 6 Curve fitting of pH value and voltage value

根據(jù)擬合后的曲線可以獲取pH值和電壓值的相關線性關系如下：

U=-62.4766×P+428.0561.

(3)

隨后將獲取的兩者的關系曲線系數(shù)寫入到軟件中.在軟件中便可以將采集到的電壓值直接存在寄存器,可以直觀的獲取水質(zhì)的pH值.

5 測試結果分析

5.1 準確性測試

連接傳感器,將傳感器放置在各個事先配好的標準溶液中測試,看測試結果是否正常.如若誤差太大,不在允許范圍內(nèi),則從軟件仿真出發(fā),在根據(jù)設計電路和傳感器原理,用萬用表進行實際計算或測量,檢查哪一塊電路出現(xiàn)了問題.首先選用有標準液的電導率和pH傳感器進行標液測試,測試結果如表5,然后在同一溶液,同一環(huán)境下,將美國哈希多參數(shù)檢測儀和本系統(tǒng)檢測結果進行對比,測試結果如表6.

表5 傳感器標液測試結果

表6 美國哈希多參數(shù)檢測儀和本系統(tǒng)檢測結果

根據(jù)定量測試表中的誤差數(shù)據(jù)可知,參數(shù)均在允許的誤差范圍內(nèi),能夠滿足系統(tǒng)設計的性能指標要求.在高精度控制水質(zhì)參數(shù)變化的過程中,該系統(tǒng)能夠實時在線提供有效的數(shù)據(jù).

5.2 穩(wěn)定性測試

將傳感器放置在電導率濃度為220 μs/cm的標準溶液中,連接整個系統(tǒng),連續(xù)跑上幾天,每1 min記錄一次采集上來的數(shù)據(jù),進行穩(wěn)定性分析,分析結果繪制成如圖7.

圖7 電導率采集數(shù)據(jù)分析Figure 7 Analysis of conductivity acquisition data

由上圖可以分析得到,電導率值在正常的范圍內(nèi)波動,均在允許的誤差范圍內(nèi),能夠滿足系統(tǒng)設計的性能指標要求.在高精度控制水質(zhì)參數(shù)變化的過程中,該系統(tǒng)能夠實時在線提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù).

將傳感器放置在水溶液中,上電運行整個系統(tǒng),每1分鐘記錄一次采集上來的數(shù)據(jù),使整個系統(tǒng)一直保持在運行狀態(tài),經(jīng)過長時間的監(jiān)測,獲取一定量的數(shù)據(jù),進行穩(wěn)定性分析,分析結果繪制成如圖8.

圖8 ORP采集數(shù)據(jù)分析Figure 8 ORP acquisition data analysis

由上圖可以分析得到,ORP值在正常的范圍內(nèi)波動,均在允許的誤差范圍內(nèi),能夠滿足系統(tǒng)設計的性能指標要求.在高精度控制水質(zhì)參數(shù)變化的過程中,該系統(tǒng)能夠實時在線提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù).

將傳感器放置在濃度為3.86的標準pH溶液中,上電運行整個系統(tǒng),每1分鐘記錄一次采集上來的數(shù)據(jù),使整個系統(tǒng)一直保持在運行狀態(tài),經(jīng)過長時間的監(jiān)測,獲取一定量的數(shù)據(jù),進行穩(wěn)定性分析,分析結果繪制成如圖9.

圖9 pH采集數(shù)據(jù)分析Figure 9 Analysis of pH collection data

由上圖可以分析得到,pH值在正常的范圍內(nèi)波動,均在允許的誤差范圍內(nèi),能夠滿足系統(tǒng)設計的性能指標要求.在高精度控制水質(zhì)參數(shù)變化的過程中,該系統(tǒng)能夠實時在線提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù).

6 結語

本文針對水質(zhì)檢測的需求,結合現(xiàn)代化電子科技和全自動化技術的相互結合,對現(xiàn)代化的水質(zhì)改善儀器的優(yōu)缺點進行分析,并利用嵌入式微控制技術,制定了智能化水質(zhì)檢測系統(tǒng)的總體設計方案和硬件設計,并詳細的介紹了智能化水質(zhì)監(jiān)測儀器的開發(fā)設計方案和儀器的開發(fā)調(diào)試.經(jīng)過長期的儀器測試,能夠滿足儀器的設計要求,實現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測的自動化過程,促進了工業(yè)智能化的發(fā)展.

我相信未來水質(zhì)監(jiān)測儀器的發(fā)展趨勢將是無線通信技術和互聯(lián)網(wǎng)技術結合,加上自動化控制技術設計出一套功能健全、精準度高、智能化控制的遠程檢測設備.能夠滿足靠水生存的各行各業(yè)對水質(zhì)檢測和調(diào)節(jié)的需求,促進行業(yè)快速發(fā)展,降低生產(chǎn)的成本.