介绍

饮料生产、制药厂、废水处理厂等多个行业都依赖水质监测系统来测量和控制重要的水质指标。决定水的物理、化学和生物特性的参数可以用作水质指标。例如：

• 物理：温度和浊度
• 化学：pH、氧化还原电势（ORP）、电导率和溶解氧
• 生物：藻类和细菌

本文主要介绍过去虽然不可或缺但可靠性欠佳，对实际应用造成困难的化学测量参数。电化学是化学的一个分支，它通过测量反应物之间的电子转移来表征氧化还原反应（redox）行为。电化学技术可直接或间接用于检测和测量前文列出的示例水质指标。电化学测量系统由两大主要模块组成：

• 传感器：用于测量水质指标并产生相应电信号的装置。
• 测量和处理单元：测量和处理电信号的电路。

通常，单个有线传感器会部署在整个处理厂中。这种现场传感器需要频繁地清洁、校准并经常更换。

无线网络能够部分地缓解这个问题，但它们的稳定性通常较差，无法在这些应用所在的恶劣环境下部署。

在此过程中，通过使用新的测量和联网技术，现在可以实现高可靠性无线传感网络。本文介绍了一种演示平台，该平台将ADuCM355的通用传感器接口功能与Analog Devices的SmartMesh®IP技术接近有线的可靠性相结合，以提供高可靠、低功耗的无线水质监测系统，主要测量样本水质量指标pH值。该原理可以轻松扩展到其他电化学参数，为每个无线传感节点提供一套水质测量系统。

图1：典型电化学测量系统。

pH测量和pH探针

pH值是水溶液中氢离子和氢氧根离子相对含量的量度。中性溶液是指氢离子浓度与氢氧根离子浓度完全相同的溶液。pH是表示氢离子浓度的另一种方式，方法是测量溶液的酸度或碱度，其定义为：

pH = −log10(H+)

其中H+是以摩尔/升为单位的氢离子浓度。

溶液的pH值范围在0到14。中性溶液的pH值为7，酸性溶液的pH值小于7，碱性溶液的pH值大于7。

pH探针是一个由玻璃电极和参比电极组成的电化学传感器。

图2：pH探针

当pH探针插入溶液时，测量电极产生的电压取决于溶液的氢离子活性，然后将其与内部参比电极的电势进行比较。测量电极与参比电极之差即为测得的电势，用能斯脱方程表示为：

其中：

E表示未知活性时的电极电压 a = ±30 mV，零点容差

T是环境温度，单位°C

n在25°C时等于1，化合价（离子上的电荷数） F = 96485库伦/摩尔，法拉第常量

R = 8.314伏特-库伦/°K摩尔，理想气体常数

pH = 未知溶液的氢离子浓度

pHISO = 参比电解质的氢离子浓度；请查阅探针文档；典型pHISO = 7

该方程表示生成的电压以已知方式随pH值变化。它还说明，产生的电压与溶液温度成正比。随着溶液温度升高，两个电极之间的电势差增大，反之亦然。理想的pH探针在25°C时会产生±59.154mV/pH单位。

温度变化也会改变测量电极的灵敏度，从而导致测量误差。这种误差是可预测的，可通过在一定温度范围内校准探针，然后在后续测量中校正温度来解决。一般而言，温度传感器集成在pH探针里。温度传感器可采用负温度系数（NTC）热敏电阻或RTD，如PT100或PT1000。带温度传感器的pH探针如图3所示。

 图3：带温度传感器的pH探针。

如果温度传感器测量到温度变化，则将校正因数应用于最终pH读数，然后pH表将显示校正后更准确的读数。这种机制能良好补偿因温度变化引起的任何pH值误差。

带ADuCM355的pH测量装置

ADuCM355是行业最先进且高度集成的化学传感器测量前端，为pH测量提供了平台解决方案，所有必要的测量功能均与低功耗微处理器集成。ADuCM355是一种在小尺寸中实现极低功耗的测量平台，能够安装在传感器外壳内，同时提供台式仪器具备的功能与性能。图4所示的是ADuCM355的pH测量板，带有用于pH探针和温度传感器连接的BNC和RCA连接器。该测量板来自CN-0428参考设计。关于测量板的更多详情，请参见图5。

图4：带有集成温度传感器的pH探针连接到ADuCM355。

图5：带BNC和RCA连接器的ADuCM355 pH值测量PCB。

图6：连接到ADuCM355的pH传感器和SmartMesh无线传感器节点。

图7：网关内具有传感器节点和网络IP管理器的SmartMesh网络。

将pH值测量传感器节点连接到SmartMesh

通过将ADuCM355与Analog Devices SmartMesh收发器相结合，我们创建了一种小型、低功耗pH测量传感器节点。ADuCM355提供测量的pH值数据作为数字输出。然后，数字数据通过UART连接到Analog Devices的LTP5902 SmartMesh IP无线收发器。LTP5902通过SmartMesh网络将数字数据发送到SmartMesh IP管理器。

SmartMesh是Analog Devices基于IEEE 802.15.4e标准的专有2.4 GHz多跳无线网格网络解决方案。它包含AES 128加密与认证功能，提供可靠的端到端安全。它具有超低功耗和高能效，便于每个传感器节点依靠电池供电运行。

SmartMesh网络使用时隙信道跳频（TSCH）链路层进行通信，该链路层可提供三重播放冗余。SmartMesh网络管理器（网关的组成部分）可以协调计划、管理安全、进行空中编程（OTAP），并且每周七天、每天24小时不间断地自动优化连接。此外，该网络管理器还能通过API提供详细的网络健康报告。对于小型网络，一个嵌入式管理器可支持多达100个传感器节点（也称为mote）。VManager支持多达50,000个节点的真正大型的安装。

SmartMesh经过严格的网络压力测试，能够确保数据可靠性大于99.999%。这使它成为必须保持高网络可用性且不允许丢失数据包的工业无线传感器网络的理想解决方案。

无线水质监测系统：

图8：使用ADuCM355和SmartMesh的无线水质监测系统。

无线水质网络示意图如图8所示，组成部分包括：

1. 四个传感器节点：

• 每个传感器节点都由现成玻璃电极pH探针和集成温度传感器组成，传感器连接到ADuCM355和SmartMesh IP mote，如图6所示。
• pH探针感应pH值，ADuCM355执行测量和计算，并在数字输出中提供测量的pH值，然后通过无线SmartMesh网络传输至SmartMesh IP管理器。
• SmartMesh IP管理器通过USB连接到PC。

2. 该系统中的网关由PC执行。这台PC上安装了Node-Red和SmartMesh SDK。SmartMesh SDK用于为数据创建JavaScript对象符号（JSON）服务器，该服务器连接到Node-RED。Node-RED用于显示从每个传感器节点测量的pH值数据并允许连接到IBM Watson、Amazon AWS等云服务。

硬件设置

图9：无线水质网络。

为了进行演示，我们使用一个错列式三水槽鱼缸，水从顶部水槽流入下方水槽。在每个水槽中浸放一个pH传感器探针。我们把第四个传感器放置在有一定距离的参比溶液里（图9中未显示），以说明SmartMesh在远距离内的无线通信能力。当我们改变顶部水槽溶液的pH值时，Node-RED上的数据会更新，显示新的pH值。随着新pH值的溶液从顶部水槽依次流

入下方水槽，另外两个pH传感器也会更新它们的测量值，并将数据显示在屏幕上。因为第四个传感器浸没在参比溶液里，pH值没有变化，所以该传感器的读数保持恒定。关于Node-RED和测得数据的更多信息见后续章节。您也可以点击这里查看录制的演示视频。

图 10：传感器节点。

测量数据：

使用Node-RED在PC上显示4个传感器节点的pH值测量结果。

Node-RED是一种带有web浏览器的编程工具，能将硬件设备、API和其他在线服务连接在一起。演示的JSON流程如图11所示。

图 11. JSON 流程

图12. 无线水质演示板。

图 13. pH值测量数据显示在IBM Watson上。

图 14. 推送pH值测量数据。

结论

本文介绍了采用Analog Devices的ADuCM355和SmartMesh IP技术的无线水质监测系统。这些产品尺寸小、功耗低，方便传感器节点用电池供电。即便是在恶劣的外部环境下，稳定的SmartMesh技术也能可靠地传输数据。文中的演示展示了一种高度可靠的无线监测系统及其与云的连接。根据不同的最终应用，这项技术拥有巨大的潜力。因为该技术能够在难以抵达的位置监测水质，帮助用户为不同水质阈值设置警报和告警，还能利用数据获得关于持续水质的更可靠、更深入的信息。

特色产品

ADUCM355BCCZ 微控制器

EVAL-ADUCM355QSPZ 嵌入式系统开发板和套件

作者介绍

Piyu Dhaker是Analog Devices北美核心应用部门的应用工程师。她在2007年毕业于圣何塞州立大学，获电气工程学硕士学位。2017年6月加入北美核心应用部门。此前，她也在ADI公司的汽车传动系统部门和电源管理部门工作过。作者联系方式： piyu.dhaker@analog.com.