趙小強， 馮 勛

(西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121)

基于ZigBee的水質(zhì)pH值在線監(jiān)測系統(tǒng)

趙小強， 馮 勛

(西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121)

為了提高在水質(zhì)pH值監(jiān)測中的實時性與測量精度，設計一種基于ZigBee的水質(zhì)pH值在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點與監(jiān)測中心計算機構(gòu)成,其中數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用STM32微處理器進行實時數(shù)據(jù)采集，并使用CC2530無線射頻芯片將采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點，數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點負責將水質(zhì)數(shù)據(jù)通過串口實時傳輸至監(jiān)測中心計算機。系統(tǒng)采用二維回歸方程對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行融合處理，以減小溫度對pH值測量精度的影響。測量數(shù)據(jù)對比性實驗結(jié)果顯示，系統(tǒng)具有較好的實時性和測量精度，能夠滿足水質(zhì)pH值監(jiān)測需要。

pH值;ZigBee;STM32;溫度補償

pH值監(jiān)測是水質(zhì)監(jiān)測中的重要組成部分，傳統(tǒng)的水質(zhì)pH監(jiān)測系統(tǒng)主要采用了現(xiàn)場總線與串行總線等有線通信技術(shù)，在實際pH值現(xiàn)場測量中，由于監(jiān)測系統(tǒng)長期安裝于潮濕環(huán)境中，采用有線通信技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)存在安裝維護困難、信息傳輸可靠性低等問題[1]。此外，由于pH傳感器的特性，通常溫度對測量結(jié)果影響較大，且輸出信號范圍較小，為克服溫度影響，目前普遍采用的補償方法主要有硬件補償法與兩點校準法，但是由于硬件補償法中硬件電路自身存在精度不高、噪聲較大的問題，以及兩點校準法中標定模型對測量精度的限制，均導致實際應用中pH值測量精度仍然較低[2-4]。

本文擬根據(jù)成熟的ZigBee技術(shù)[5-6]，考慮溫度對pH傳感器的影響，設計一種基于ZigBee的水質(zhì)pH值在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32微控制器與無線射頻芯片為核心，實現(xiàn)了在無線傳感網(wǎng)絡中水質(zhì)pH值信息、溫度信息的實時采集和誤差修正。

1 系統(tǒng)總體設計

水質(zhì)pH值在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。一般按照需要布置多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點，每個采集節(jié)點定時采集水質(zhì)pH值傳感器與溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)按通信協(xié)議封裝后通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送至匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點將整個ZigBee網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)通過串口實時傳輸至監(jiān)測中心計算機，經(jīng)過誤差修正處理后顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要由主控制器、無線傳輸模塊、溫度傳感器、pH復合電極及其測量電路4部分組成，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件

系統(tǒng)主控制器選用STM32F103VET6芯片，該芯片是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器，工作頻率為72 MHz，具有512KB FLASH與64 KB SRAM，并且片上集成有8個定時器、3個12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、5個多功能串口與80個IO口，能夠滿足pH值在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計及后期擴展要求[7]。

2.1 pH值測量電路

pH傳感器采用上海雷磁公司的E-201-C型pH復合電極，該傳感器由鈉玻璃吹制成的敏感薄膜構(gòu)成信號電極，由銀-氧化銀構(gòu)成參比電極，能夠通過測量參比電極與信號電極兩端的電壓獲得溶液中氫離子活度。當被測溶液pH值由1變化到14時，pH復合電極的輸出電壓從正值變化到負值，并且由于pH復合電極自身內(nèi)阻較高(108～1010Ω)，輸出信號電壓變化幅度較小，因此需要對pH復合電極的輸出信號進行平移、放大處理，將輸出信號范圍轉(zhuǎn)換到0～3.3 V以內(nèi)，以符合A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路要求。使用電阻分壓電路抬高pH復合電極輸出電壓實現(xiàn)信號平移，為保證pH復合電極輸出信號的準確性，采用TL431A精密穩(wěn)壓源進行穩(wěn)壓。放大電路采用TI公司的自校準精密雙路運算放大器TLC4502芯片，該芯片支持2路放大器，并且具有自校準輸入失調(diào)電壓、低輸入失調(diào)電壓溫漂及軌至軌輸出的特點。pH復合電極輸出的mV級信號輸入TLC4502芯片，經(jīng)過平移、放大后進入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。pH值測量電路如圖3所示。

圖3 pH值測量電路

2.2 溫度采集電路

溫度采集電路采用單總線結(jié)構(gòu)的溫度傳感器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，該傳感器測量溫度范圍為-55～125℃，精度為±0.5℃，只需要將DS18B20的DQ端與STM32微控制器的I/O口相連即可編程讀取溫度數(shù)據(jù)。測量溫度數(shù)據(jù)主要用來對pH傳感器進行溫度補償。

2.3 ZigBee通信電路

ZigBee通信芯片選用TI公司的CC2530，該芯片是一個支持ZigBee應用的片上系統(tǒng)，芯片內(nèi)部集成了增強型的8051內(nèi)核與RF收發(fā)器，使用TI公司提供的ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)可以方便的組建ZigBee網(wǎng)絡。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點中CC2530被編程為ZigBee路由節(jié)點來采集、傳輸水質(zhì)信息，CC2530與STM32微處理器通過串口進行通信，即將CC2530的P0.2、P0.3接口與STM32的PA9、PA10接口相連，CC2530通信電路如圖4所示。

圖4 STM32與CC2530連接

串口通信波特率為9600 bps，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗位，停止位1位。通信協(xié)議由幀頭、編號、源地址、設備類型、溫度數(shù)據(jù)、pH數(shù)據(jù)、幀尾7部分組成，如表1所示。

表1 CC2530與STM32通信協(xié)議

其中幀頭1個字節(jié)，固定為0XA5，表示一幀數(shù)據(jù)的開始；編號2個字節(jié)，記錄數(shù)據(jù)包編號；源地址2個字節(jié)，表示數(shù)據(jù)來源，取ZigBee終端設備自身MAC地址的低2個字節(jié)作為設備地址；設備類型1個字節(jié)，0X1A代表協(xié)調(diào)器，0X1B代表路由器，0X1C代表終端節(jié)點；溫度數(shù)據(jù)2個字節(jié)，記錄溫度傳感器的輸出數(shù)據(jù)；pH數(shù)據(jù)2個字節(jié)，記錄pH傳感器輸出信號的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換值；幀尾1個字節(jié)，固定為0X5A，表示1幀數(shù)據(jù)結(jié)束。

3 系統(tǒng)軟件設計

CC2530通信模塊程序使用IAR開發(fā)環(huán)境開發(fā)，CC2530在數(shù)據(jù)采集節(jié)點中被編程為ZigBee網(wǎng)絡路由節(jié)點，在數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點中被編程為ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點。STM32微處理器程序通過嵌入式系統(tǒng)MDK開發(fā)環(huán)境使用C語言開發(fā)。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點下位機程序主要包括溫度數(shù)據(jù)采集、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口通信等函數(shù)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點上電后進行初始化打開定時器，然后等待定時器溢出中斷，在定時器中斷函數(shù)中通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換采集pH傳感器輸出數(shù)據(jù)，通過DS18B20單總線協(xié)議采集溫度傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議存入發(fā)送緩沖區(qū)后，通過串口發(fā)送給CC2530 ZigBee通信模塊，通信模塊從串口接收數(shù)據(jù)后，通過ZigBee網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點，再由數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點發(fā)送至上位機，上位機接收到完整1幀水質(zhì)數(shù)據(jù)后能夠提取出溫度數(shù)據(jù)與pH傳感器輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集節(jié)點流程

4 數(shù)據(jù)處理方法

為了減小溫度對pH傳感器輸出信號的影響，監(jiān)測中心上位機在提取出原始水質(zhì)數(shù)據(jù)后，采用基于二維回歸分析原理的曲面擬合算法對pH傳感器進行溫度補償[8-9]。使用水質(zhì)數(shù)據(jù)中pH傳感器輸出電壓U及溫度T的二元函數(shù)來表示經(jīng)過了溫度補償?shù)膒H參量

VpH=f(U,T)。

由二維坐標(U,T)所決定的VpH在同一曲面上，該曲面可利用二次曲面擬合方程描述為

VpH=α0+α1U+α2T+

α3U2+α4UT+α5T2+ε。

若上式的各個常系數(shù)已知，當獲得電壓U及溫度T時，便可代入其中計算得到被測參量VpH。

為了計算方程各系數(shù)，在pH傳感器的量程范圍內(nèi)確定n個pH標定點，在工作溫度范圍內(nèi)確定m個溫度標定點，各個標定點的標準輸入值依次為

V1，V2，V3，…，Vn,

T1，T2，T3，…，Tm。

(1)

總計有m×n個標定點，其均方誤差R應最小。顯然

(2)

是常系數(shù)α0,α1,a2,α3,α4,α5的函數(shù)，根據(jù)多元函數(shù)求極值條件，分別對αi(i=0,1,…,5)求偏導且令導數(shù)為零，則可最終得到各個常系數(shù)，從而完全確定二次曲面擬合方程。

5 實驗數(shù)據(jù)測量與分析

實驗采用pH酸度計作為標準測量儀對pH復合電極進行標定以及對整個系統(tǒng)進行誤差分析。將pH酸度計以及數(shù)據(jù)采集節(jié)點的pH復合電極、DS18B20溫度傳感器一同放入盛有待測溶液的燒杯中，實驗裝置如圖6所示。

圖6 實驗裝置

通過在溶液中添加化學試劑HCL與NaOH改變其pH值，記錄每次pH值改變后pH酸度計顯示的標準pH值與上位機實時接收到的溶液溫度T與pH傳感器輸出電壓U，得到的實驗數(shù)據(jù)(表2)。

將實驗測量得到的200組實驗數(shù)據(jù)隨機選取180組代入式(1)和式(2)，計算擬合方程各常系數(shù) ，得到曲面擬合方程

VpH=18.590 - 0.009 042T-

3.647U+ 0.000 235 8T2-

0.010 69TU- 0.374 2U2。

(3)

曲面擬合方程的函數(shù)圖像如圖7所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)

圖7 擬合圖像

為驗證擬合方程的有效性，將曲面擬合時未使用的20組實驗數(shù)據(jù)中溶液溫度T與電壓U代入曲面擬合方程式(3)求得20組pH測量值并與實驗中記錄的pH標準值作對比，結(jié)果如表3所示。

實驗結(jié)果中，20組使用二次曲面擬合方程計算所得的pH測量值絕對誤差小于±0.2，平均相對誤差約為1.19%，具有較好的測量精度，驗證了二次曲面擬合方程在處理pH傳感器溫度補償時的有效性。

表3 實驗結(jié)果

6 結(jié)語

設計并實現(xiàn)了基于ZigBee的水質(zhì)pH值在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在組網(wǎng)的情況下實時采集水質(zhì)pH值信息，同時具有較好的測量精度。此外系統(tǒng)搭配不同的水質(zhì)傳感器與其數(shù)據(jù)處理方程，還能夠測量水質(zhì)的其它信息。

[1] 鄒應全,行鴻彥.高精度pH測量儀研究[J].測控技術(shù),2010,29(9):1-4.

[2] 張坤,薛文玲,李志林,等.基于USB接口的在線pH值監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013,13(7):64-66.

[3] 陳瑤,薛月菊,陳聯(lián)誠,等.pH傳感器溫度補償模型研究[J].傳感技術(shù)學報,2012,25(8):1034-1038.

[4] 譚靖.基于AD7792的pH在線監(jiān)測傳感器采集電路設計[J].電子科技,2013,26(12):93-95.

[5] 石家駿,鐘俊,易平.基于ZigBee的無線抄表系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計,2011,32(3):875-878.

[6] 徐鵬,姚引娣.基于物聯(lián)網(wǎng)的糧倉監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].西安郵電大學學報,2013,18(3):122-124.

[7] 劉火良,楊森.STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013:124-138.

[8] 陳湘萍,劉南平,蔡舉.一種多傳感器數(shù)據(jù)信息的融合算法[J].天津師范大學學報:自然科學版,2011,31(1):42-44.

[9] 劉君華.智能傳感器系統(tǒng)[M].西安:西安電子科技大學出版社,2004:34-120.

[責任編輯:王輝]

A pH value online monitoring system based on ZigBee

ZHAO Xiaoqiang， FENG Xun

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an, 710121, China)

In order to improve the real-time performance and measurement accuracy of water pH value monitoring, a pH value online monitoring system based on ZigBee is designed in this paper. The system consists of data collection nodes, a sink node and a monitoring computer. The STM32 microcontroller is used to collect the data in data collection nodes, and TI CC2530 RF chip is used to send the data to sink node by ZigBee wireless network. All network data are sent to monitoring computer by serial port in sink node. In addition, measurement data are fused by two-dimensional regression equation to reduce the temperature effect on the pH measurement accuracy. Measurement data comparative experiments show that the whole system has better real-time performance and higher measurement accuracy, and therefore can meet the requirements of pH monitoring system.

pH, ZigBee, STM32, temperature compensation

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.06.014

2014-06-18

工業(yè)和信息化部通信軟科學研究計劃資助項目(2014R38)；陜西省教育廳服務地方專項基金資助項目(14JF022);西安郵電大學研究生創(chuàng)新基金資助項目(112-2012)

趙小強(1977-)，男，碩士，副教授，從事物聯(lián)網(wǎng)研究。E-mail:zxq7703@126.com 馮勛(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用。E-mail:379334525@163.com

TP216

A

2095-6533(2014)06-0071-05