基于无线传感网络技术的糖厂pH值测量

摘  要： 针对无线传感网络技术在糖厂澄清工段pH测量上的应用，研究并改进了pH测量装置，以提高其抗干扰能力。将无线传感网络技术应用其中，实现了测量数据的实时传递，使得糖厂澄清工段pH测量数据的传输摆脱了线缆的束缚，很大程度上提高了系统的可扩展性，方便了系统的维护。
关键词： pH测量；无线传感网络；信号调整；VS2005

    无线传感网络技术包括以各种无线方式实现的各种网络数据交换的技术。它可以实现包括物联网在内的无线数据传输网络，具有非常广泛的应用前景，如智能家居、环境监测、城市安防、医疗卫生等，可以说无线传感技术的发展在很大程度上促进了各行业信息的交流。
    糖厂清汁pH值控制效果的好坏直接影响蔗汁的沉降澄清效果、糖分回收和后续工段设备积垢问题[1]。这些pH参数基本上都需要在线监测，测量点距离监控室都有很长一段距离，短的几十米，长则数百米。
    在澄清工段数据的传输方式上，现在基本上都是采用线缆传输方式。这样就需要布置很复杂的线路，增加投入的成本。另一方面系统的扩展性会受到很大程度的限制，当需要增加新的设备时，就需要重新布线，施工比较麻烦，而且很有可能破坏原来的线路。在维护性方面，有线传输的线路需要沿线巡查，出现故障时很难在短时间找出故障点。
　    如果采用无线传感网络技术对糖厂澄清工段的pH测量数据进行传输将会改善上述问题。(1)采用无线传输可以省去布线的麻烦。(2)增加新的设备时，只需要增加一个传输节点，无需改动原来线路，就能将新设备添加到原来的网络。(3)无线传输只需要维护传输模块，出现故障时可以很快找出原因。
1 系统的总体设计
    本设计使用的核心控制器是MSP430F148，该控制器是TI公司生产的低功耗16位单片机,其内部集成48 KB的Flash存储器、2 KB的RAM、8路12位ADC、SPI接口等丰富的片上资源。pH测量部分采用的是传统的玻璃电极，配合一定的放大电路。考虑到pH 的测量是在一定温度下进行，所以本设计增加了温度的测量模块，采用的器件为PT100。考虑到设计的周期，本设计使用的是无线模块LSDRF2401N05，这是国内一家企业利用德州仪器公司生产的CC2500无线芯片开发的一款针对无线传感网络解决方案的模块。系统的整体原理图如图1所示，测量节点框图如图2所示，中间节点框图如图3所示。

2 硬件实现
2.1 pH测量模块
    工业上进行pH测量时一般采用玻璃电极或是复合电极。在国内糖厂澄清工段pH值的测量大多使用玻璃电极[2]。这类电极在酸性溶液中会输出正电压，在碱性溶液中会输出负电压。pH每变化一个单位，输出电压就变化57 mV左右[3]。由于输出不算太大，需要对其放大。但是这一类电极的输出阻抗都特别高，一般在1013 Ω以上。如果选用一般的运算放大器，阻抗会不匹配，也就不能完成放大的功能。另一方面由于输出电压很小而输出阻抗又很高，所以很容易产生干扰，特别是工频干扰会很严重。
　　综合以上问题,本设计选用的运算放大器型号是OPA129，这是TI公司生产的一款高输入阻抗的运算放大器，输入阻抗可以达到1013 ~1015 Ω。OPA129主要用在高输出阻抗传感器件的前置放大电路中。而对于信号的干扰问题所用的解决方法是在电路中增加屏蔽环、良好接地和合理选择滤波电容。玻璃电极与OPA129组成的前端放大电路原理图如图4所示。

    MSP430F148单片机为3.3 V供电，而且其自带A/D的参考电压最大也是3.3 V。而前端放大电路电源电压为±5 V，输出电压也在这个范围内变化，如果直接将电压送入A/D进行转换，一方面有可能会超出A/D的测量范围，从而使得A/D转换的值不准确；另一方面当pH为碱性时，玻璃电极输出负电压，而前端放大环节采用的是同相放大电路,故输出的也是负电压,但是MSP430单片机自带的A/D不能直接对负电压采样转换。
    综合考虑以上两个方面的原因，本设计先将前端放大电路的输出信号同比例缩小到-1.5 V~+1.5 V，再将电压抬升到0~3.0 V，然后送入A/D采样。电路的实现如图5所示。

2.3 无线模块
    本设计中无线部分采用的是无线模块LSDRF2401N05，模块的核心芯片是CC2500。
    CC2500是一款低成本单片的2.4 GHz无线收发芯片。CC2500工作在2 400~2 483.5 MHz的ISM频段，并且提供数据包处理、连接质量指示和电磁波激发的硬件支持。只需要很少的外部器件就能工作。采用20脚的QLP封装，在很大程度上减小了芯片的尺寸。
    此外还有以下特点，高灵敏度、低电流消耗、高效的SPI接口、RSSI、数据自动白化处理等。CC2500典型的电路图如图7所示。

2.4 单片机核心模块
    单片机核心部分采用的是MSP430单片机典型的最小系统，包括复位电路、电源、JTAG接口、晶振、RS232、RTC等部分。其结构框图如图8所示。
3 软件实现
3.1 固件实现
    固件是指在单片机中执行的程序，由于硬件分为中间站点和测量站点，功能不相同，所以固件也不相同。中间站点主要功能是完成液晶、无线模块初始化，从串口接收命令并将命令打包后通过无线模块发送到测量站点，从测量站点接收测量数据并发送到上位机。测量站点的主要功能是接收中间站点发送的无线指令，根据指令进行pH、温度的测量，测量完成后将测量数据打包发送到中间站点，并等待下一条命令。中间站点的程序流程图如图9所示，测量站点的程序流程图如图10所示。

3.2 上位机软件实现
    上位机软件主要实现的功能是实时显示测量点的pH和温度的变化，记录pH和温度，显示pH和温度的变化曲线。本设计上位机开发环境使用的是VS2005。对于需要开发图形界面的项目来说，VS2005可以在短时间内构建出需要的界面。串口通信环节使用的是串口控件，可以很快实现串口的接收和发送。
4 结果验证
4.1 pH测量标定
    由于运放存在温漂，另外由于现场噪声的存在，输出的信号量不可能和理论的计算完全一致，尤其在本设计中，由于pH传感器的输出阻抗很高，很容易被噪声干扰，所以一般在使用pH测量装置之前首先要对pH测量装置进行标定，本设计也不例外。标定的方法是，将pH探头放入标准的缓冲溶液中，记下pH和稳定时的输出电压。然后再放入另一标准缓冲溶液中，待读取的电压数值稳定后，记下pH和输出电压。之后计算出斜率，得出pH和输出电压的关系，就可以使用。在本设计中当pH=9.18时，Vout=0.493 V；当pH=4.00时，Vout=3.210 V；可以计算出pH和输出电压Vout的关系：pH=10.12-1.906 2×Vout。把pH探头放到pH=6.86的磷酸盐混合溶液中，得到Vout=1.699 V，由此计算出pH=6.88，和实际值相差很小。
4.2 pH值响应时间分析
　　将pH探头由pH=9.18的四硼酸钠溶液中取出，放入pH=4.00的邻苯二甲酸氢钾溶液中，其响应随时间的变化如图11、图12所示。图中一个格表示1.0 s。由图11可以看到经过6~9 s就可以达到稳定值。由图12可以看到经过6~8 s就可以达到稳定的数值。

4.3 无线距离测试
    当中间节点和测量站点距离较长时，收到信号的强度就会有一定程度的衰减,所以需要测试无线的通信距离。中间站点在室内，测量站点在室外。当两者相距大约40 m时。信号强度从CC2500的RSSI寄存器读取经转化范围为0~255，在这个范围内等距离分5个点，可以看到这时的信号强度有2个格。转化成百分数就是20%~40%的范围。这个距离足够满足一般测量要求。如果范围再远可以适当地增加中继站环节，或者使用鞭状天线以提高发射距离。
    通过上述实验结果可以看到，采用OPA129运放可以提高测量pH的抗干扰能力和稳定性，减小系统的响应时间。
    采用无线传输pH数据，可以节省成本，提高了系统扩展性能。在距离不是很远的通信中，使用板载PCB天线可以从很大程度上减小电路板的面积。由于通信环节使用的是模块化的设计，避免了有线传输形式的沿线检查，使得出现问题时很容易查找。
参考文献
[1] 宋绍剑，安治国，宋春宁,等.基于S3C44B0的糖厂pH值控制器的设计[J].计算机信息，2008,12(2):169-171.
[2] 蒋小庆.基于VxWorks的糖厂澄清工段pH值控制器设计[D].南宁：广西大学，2009.
[3] 蒋小庆,宋春宁,彭真.VxWorks在糖厂pH值监控系统中的应用[J].装备制造技术,2009(5):89-89.