無線水質監測系統

作者 : Piyu Dhaker,ADI應用工程師

本文重點討論歷來不可或缺、但因不夠可靠而造成實施負擔的化學測量參數。電化學是化學的一個分支,透過測量電子從一種反應物到另一種反應物的轉移來表徵還原-氧化(redox)反應的行為...

飲料生產、製藥廠、廢水處理廠等多種產業都依靠水質監測系統對重要的水質指標進行測量和控制。定義水的物理、化學和生物學特性的參數可作為水質指標。例如:

  • 物理:溫度和濁度
  • 化學:pH值、氧化還原電位(ORP)、電導率和溶解氧
  • 生物學:藻類和細菌

本文重點討論歷來不可或缺、但因不夠可靠而造成實施負擔的化學測量參數。電化學是化學的一個分支,透過測量電子從一種反應物到另一種反應物的轉移來表徵還原-氧化(redox)反應的行為。電化學技術可以直接或間接用於檢測和測量上述水質指標。電化學測量系統主要由兩種模組組成:

  • 感測器:一種用於測量水質指標並產生相應電訊號的元件。
  • 測量和處理單元:測量和處理電訊號的電路。

通常整個加工廠中部署單獨的有線感測器。現場感測器需要經常清洗、校準和更換。無線網路可減少一些這樣的負擔,但通常被認為不夠可靠,無法部署在這些應用的惡劣環境中。

隨著科技的發展,現在採用新的測量和網路技術可以實現高可靠性的無線感測網路。本文將介紹一款展示平台,它將ADuCM355的通用感測器介面功能與Analog Devices (ADI) SmartMesh IP技術的有線可靠性相互結合,構成穩健的低功耗無線水質監測系統,專用於水質指標pH值測量。將該原理輕鬆擴展到其他電化學參數,可以針對每個無線感測節點形成一系列水質測量。

1:典型電化學測量系統。 

pH值測量和pH探針

pH值是衡量水溶液中氫離子和氫氧化物離子相對量的一項指標。中性溶液指氫離子濃度正好等於氫氧化物離子濃度的溶液。pH值是表示氫離子濃度、衡量溶液酸鹼度的另一種方式,定義如下:

其中H+是氫離子濃度(單位:莫耳/升)。

溶液的pH值為0至14,中性溶液的pH值為7,酸性溶液的pH值小於7,鹼性溶液的pH值大於7。

pH探針是由玻璃電極和參考電極組成的電化學感測器。

2pH探針

將pH探針插入溶液中時,測量電極會產生一個電壓,該電壓取決於溶液的氫離子活性,然後該電壓與內部參考電極的電位進行比較。測量電極和參考電極之間的電位差就是測得的電位,用能斯特方程式(Nernst equation)表示為:

其中:

E是電極電壓,活性未知a = ±30 mV,零點容差

T為環境溫度(°C)

n = 1 (25°C),價(離子上的電荷數)

F = 96485庫侖/莫耳,法拉第常數

R = 8.314伏特-庫侖/°K莫耳,理想氣體常數

pH = 未知溶液的氫離子濃度

pHISO= 參考電解質的氫離子濃度;典型pHISO = 7

此方程式表示產生的電壓以已知方式隨pH值變化。還表示產生的電壓與溶液溫度成正比。隨著溶液溫度上升,兩個電極之間的電位差增大,反之亦然。理想的pH探針在25℃下會產生±59.154mV/pH單位。

溫度變化也可能改變測量電極的靈敏度,進而引起測量誤差。該誤差是可預測的,並且可透過全溫度範圍內的探針校準和後續測量期間的溫度校正來解決。溫度感測器通常整合到pH探針中。溫度感測器可以是負溫度係數(NTC)熱敏電阻或RTD,如PT100或PT1000。3所示為帶有溫度感測器的pH探針。

3具有溫度感測器的pH探針。

如果溫度感測器測量到溫度變化,則會向最終的pH讀數應用校正係數,然後儀表將顯示校正後的更準確的讀數。該機制能夠良好地補償由於溫度變化引起的pH值誤差。

採用ADuCM355pH測量單元

4整合溫度感測器連接到ADuCM355pH探針。

這款高度整合的先進化學感測器測量前端,為pH值測量提供了一個平台解決方案,並且將所有必要的測量功能與低功耗微處理器相互整合。ADuCM355是一款低功耗測量平台,尺寸很小,足以整合在感測器外殼內,而功能和性能堪比桌上型儀器。4顯示了ADuCM355的pH值測量板,其中的BNC和RCA連接器用於連接pH探針和溫度感測器。該測量板來自CN-0428參考設計,更多相關詳情見5

5具有BNCRCA連接器的ADuCM355 pH值測量PCB

將pH值測量感測器節點連接到SmartMesh

透過將ADuCM355和ADI SmartMesh收發器相結合,我們創建了一個小型低功耗pH值測量感測器節點。ADuCM355將測得的pH資料作為數位輸出。然後,該數位資料透過UART連接到ADI的LTP5902 SmartMesh IP無線收發器。LTP5902透過SmartMesh網路將數位資料傳輸至SmartMesh IP管理器。

6PH感測器連接到ADuCM355SmartMesh無線感測器節點。

SmartMesh是ADI基於IEEE 802.15.4e標準的專有2.4GHz多跳無線Mesh網路解決方案。其包括AES 128加密和身份驗證,從而提供可靠的端對端安全性。它具有超低功耗和高能效,使每個感測器節點都可以透過電池供電運行。

SmartMesh網路使用時隙通道跳頻(TSCH)鏈路層進行通訊,該鏈路層可提供三重播放冗餘。SmartMesh網路管理器(閘道的一部分)全天候協調計畫,管理安全性,執行無線編程(OTAP),並自動優化連接。該網路管理器還透過API提供詳細的網路運行狀況報告。對於小型網路,一個嵌入式管理器可支援多達100個感測器節點(也稱為終端)。而VManager支援多達50,000個節點的大型安裝。

7:感測器節點和網路IP管理器在閘道內的SmartMesh網路。

嚴格的網路壓力測試可確保99.999%以上的資料可靠性,使SmartMesh成為工業無線感測器網路的理想解決方案,能夠保持高網路可靠性,同時不至於遺失封包。

無線水質監測系統

8:使用ADuCM355SmartMesh的無線水質監測系統。

圖8所示的無線水質網路示範包含:

  • 四個感測器節點:
    • 每個感測器節點都包含一個現成的玻璃電極pH探針,並且整合溫度感測器連接到ADuCM355和SmartMesh IP終端,如6所示。
    • pH探針檢測pH值,ADuCM355執行測量和計算,並以數位輸出提供測得的pH值,然後透過無線SmartMesh網路傳輸至SmartMesh IP管理器。
    • SmartMesh IP管理器透過USB連接到PC。
  • 此系統中的閘道器由PC執行。該PC安裝了Node-Red和SmartMesh SDK。SmartMesh SDK用於創建JavaScript object notation (JSON)伺服器以儲存該資料,JSON伺服器連接到Node-RED。Node-RED用於顯示從每個感測器節點測得的pH資料,並允許連接到IBM Watson、Amazon AWS等雲端服務。

硬體設置

9:無線水質網路。

出於展示目的,我們使用的是錯列三格魚缸,水從頂格流到後面每格。每格中都插入一個pH感測器探針。我們在遠處參考溶液中放置了第四個探針(9未顯示),以表示SmartMesh遠端無線通訊。當我們改變頂格中溶液的pH值時,Node-RED上的資料隨之更新,顯示新的pH值。由於新的pH溶液從頂格流到後面每格,其他兩個pH感測器也會更新其測量值,螢幕上顯示其資料。由於第四個感測器位於pH值未變化的參考溶液中,因此該感測器的讀數不變。以下提供有關Node-RED和測得資料的更多資訊。

10:感測器節點。

測量資料

4個感測器節點的pH測量值透過Node-RED顯示在PC上。

Node-RED是一個具有Web瀏覽器的編程工具,允許連接硬體設備、API和其他線上服務。展示的JSON流程如11所示。

11JSON流程圖。

12:無線水質展示儀表板。

13IBM Watson上顯示的pH測量資料。

14pH測量資料推文。

結論

本文介紹使用ADI ADuCM355和SmartMesh IP技術的無線水質監測系統。這些產品具有小尺寸和低功耗特性,因此感測器節點可以由電池供電。即使在惡劣的外部環境中,採用穩健的SmartMesh技術也能可靠地傳輸資料。

該展示說明了一個高度可靠的無線監測系統以及雲端連接。對於不同的最終應用,都極具應用前景,利用該技術,不僅能夠在難以接近的位置監測水質,為不同的水質閾值創建警報和警告,還能夠利用測量資料持續獲得更多可靠的水質資訊。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年4月號雜誌

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