基于光纖傳感器的高精度濁度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

施展 宋琦 李燾任 唐建凱

摘 要：本文基于濁度測(cè)量發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種基于光纖傳感器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了濁度的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)警控制功能。為在濁度測(cè)量中提高靈敏度和精度抗干擾能力，本系統(tǒng)選擇了薄型模擬光纖傳感器FX-11A，基于比爾朗伯定律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究其傳感特性，優(yōu)化得到了高精度的測(cè)量曲線。該系統(tǒng)選用STM32系列單片機(jī)為微控制器，以無(wú)線通信模塊LAN8702A將測(cè)量結(jié)果通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)和控制，符合濁度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器;濁度;遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

本系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)處理端和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集端包括光纖傳感器和溫度傳感器;數(shù)據(jù)處理端包括分壓器、跟隨器、電源轉(zhuǎn)換等模擬電路和STM32F407微控制器;遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分則包括LAN8702A通信模塊、路由器和上位機(jī)。

數(shù)據(jù)采集端負(fù)責(zé)在現(xiàn)場(chǎng)采集液體濁度的信息。光纖傳感器具有重量輕、體積小、靈敏度高、抗電磁干擾、易于重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于土木工程、生物醫(yī)學(xué)、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域。在實(shí)驗(yàn)中，我們選擇集成了模擬電壓輸出的FX-11A薄型模擬光纖傳感器。FX-11A有兩組光纖，一組用于發(fā)光，另一組用于接收濁度體吸收后的衰減光，如圖1所示。傳感器接收到衰減光后，輸出相應(yīng)的模擬電壓。光纖傳感器具有1～5v的模擬電壓輸出，將其經(jīng)過(guò)分壓電路進(jìn)行線性壓縮，轉(zhuǎn)換為3.3V內(nèi)的模擬電壓供STM32F407微控制器采集。

STM32F4系列是由意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的一種Cortext-M4內(nèi)核的高性能微控制器，它的低成本、低功耗性能使其在數(shù)字信號(hào)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。它具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以通過(guò)外圍模塊與以太網(wǎng)通信，因此我們選擇STM32F407作為檢測(cè)系統(tǒng)的核心。

根據(jù)比爾朗伯定律，入射光經(jīng)過(guò)混濁液體后，透射光強(qiáng)度會(huì)得到一定程度的衰減，其衰減程度與液體濁度呈指數(shù)關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)中我們使用福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)溶液配置4000濁度單位范圍內(nèi)的多組樣本溶液進(jìn)行測(cè)量，并使用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。經(jīng)過(guò)多次校準(zhǔn)、修正后，得到了較為良好的擬合結(jié)果。微控制器將采集到的模擬信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后根據(jù)擬合結(jié)果，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，就可以得到濁度值的測(cè)量結(jié)果。經(jīng)驗(yàn)證，其在200～2000濁度單位內(nèi)可以對(duì)濁度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。

從實(shí)驗(yàn)中我們得出結(jié)論，對(duì)于低濃度渾濁液體（小于200NTU），微控制器接收到的模擬電壓值接近峰值，這是因?yàn)楣饩€通過(guò)低濃度混濁液體后衰減程度極小，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量它們之間的差異。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，可以考慮增加樣品濁度瓶的寬度（增加光的衰減距離）來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于高濃度渾濁液體（大于2000NTU），光纖傳感器的透過(guò)率較低，處理器的ADC精度不足以辨別他們之間的差異，可以通過(guò)光纖傳感器的螺旋按鈕調(diào)節(jié)其靈敏度，或者考慮通過(guò)減小光的衰減距離來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)警功能的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件連接如圖2所示。其中LAN8720A是一款低功耗以太網(wǎng)物理層芯片，在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，我們將LAN8702A芯片作為STM32F407微控制器的外設(shè)芯片，它相當(dāng)于TCP/IP協(xié)議的物理層，而STM32F407的MAC層相當(dāng)于數(shù)據(jù)鏈路層，小型嵌入式TCP/IP協(xié)議則提供網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的功能。該以太網(wǎng)通信系統(tǒng)測(cè)量到的濁度數(shù)值以標(biāo)簽的形式傳遞給Web服務(wù)器，就可以作為應(yīng)用層實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。

當(dāng)程序加載到STM32F407微控制器中后，會(huì)初始化各種相關(guān)硬件和LWIP，然后LWIP初始化LAN8720A，請(qǐng)求內(nèi)存分配，打開(kāi)動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議服務(wù)，打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)接口卡。當(dāng)DHCP成功獲取IP時(shí)，Web服務(wù)器服務(wù)將啟動(dòng)。將STM32F407與路由器連接，并將路由器靜態(tài)IP中的首選DNS設(shè)置為STM32F407的IP地址，以便計(jì)算機(jī)、手機(jī)和其他電子設(shè)備可以傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)備在連接到系統(tǒng)所發(fā)出的Wi-Fi后，只需要在瀏覽器上輸入開(kāi)發(fā)板的IP地址，用戶就可以進(jìn)入監(jiān)測(cè)界面。如圖3所示，我們制作了一個(gè)網(wǎng)頁(yè)來(lái)顯示這些數(shù)據(jù)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，本系統(tǒng)利用STM32微控制器高性能、低功耗和低成本的特點(diǎn)， 結(jié)合光纖傳感器的傳感特性， 構(gòu)建了所需的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。STM32F407微控制器的使用有效簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)及其開(kāi)發(fā)環(huán)境，方便了系統(tǒng)編程。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸部分充分利用了以太網(wǎng)帶寬大、可擴(kuò)展性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)200～2000濁度范圍內(nèi)的濁度值，具有測(cè)試精度高、實(shí)時(shí)性好、速度快等優(yōu)點(diǎn)， 滿足濁度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要。在后續(xù)的研究中，該系統(tǒng)可以結(jié)合多點(diǎn)分布式監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，形成大范圍的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并且通過(guò)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和可視化分析，為濁度監(jiān)測(cè)提供更好的方案。

參考文獻(xiàn)

[1]吳剛.光纖濁度傳感器的研究與設(shè)計(jì)[D].中國(guó)計(jì)量學(xué)院，2014.

[2]嵇康，張杰，夏建平，林茂寬，李兵強(qiáng).基于STM32F103的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].信息與電腦（理論版），2016（13）：115—116.