基于电力线载波通信的pH值监测系统设计

李水明

（柳州铁道职业技术学院电子技术学院，广西柳州，545006）

基于电力线载波通信的pH值监测系统设计

李水明

（柳州铁道职业技术学院电子技术学院，广西柳州，545006）

针对目前pH值监测采用传统的通信方式局限性，提出利用电力线载波技术传输pH值数据。本监测系统采用LPC2103微处理器和电力线载波通信模块作为pH值采集终端，将pH值数据通过电力线网络传输到上位机显示，实现对pH值的实时监测。

电力线载波；pH值；监测

0　引言

pH值检测被广泛应用于制造业、水产养殖业、农业、制药等领域。例如造纸业的废水处理需要实时检测污水的pH值并进行相应处理；水产养殖业适合鱼类生长水体pH值范围为6.5~8.5。目前，传统的pH值检测数据传输主要通过双绞线、光纤、无线等方式传输数据。传统的有线传输方式需要铺设专用的通信线路增加了建造成本。若采用无线方式传输数据则受建筑物墙体等环境影响较大，造成数据丢失。针对上述问题，本检测系统采用电力线载波通信技术，利用广泛存在的电力输电线路作为媒介来传输pH值数据。本文设计监测的系统，用户可在上位机PC端远程实时查看各个检测点的pH值，设定pH值的范围，若超过设定的范围则报警提醒。系统的下位机利用高性能、低功耗的嵌入式处理器LPC2103作为控制核心，本pH值监测系统利用电力输电线路作为数据传输通道，免除铺设专用通信线路的成本；下位机采集终端只需要连接上电力输电线即可组网与上位机进行通信实时传输数据。本pH值监测系统具有即插即用安装方便、建造成本低、受环境影响小、多点监测、容易维护等特点。

图1　pH值监测系统结构框架

1　pH值监测系统的总体设计

本pH值监测系统由上位机和下位机两部分组成。上位机显示终端实时接收和显示pH值数据，同时将pH值数据保存到数据库中，方便日后查看。下位机利用LPC2103微处理器作为控制核心通过A/D转换实时读取传感器的电压值转换为对应的酸碱度值发送到电力线载波模块上，电力线载波模块通过将pH值数据调制后发送到电力输电线上。上位机监测显示端通过电力线载波模块从电力线上耦合和解调出pH值数据，然后通过串口传送到PC端显示。pH值监测系统结构框架如图1所示。

2　pH值监测系统硬件设计

2.1LPC2103控制核心模块。酸碱度监测系统下位机控制核心采用NXP公司推出的高性能、低功耗32位微处理器。LPC2103采用基于ARM7TDMI-S内核架构，速率高达70 MHz，包含8路的10位的A/D转换器、2个UART接口、32个通用I/O口。LPC2103作为下位机控制核心负责实时读取pH值模块的电压值转换为对应的pH值和将数据发送到电力线载波通信模块上。LPC2103利用高速A/D转换实时从pH电极获取酸碱度电压值。

2.2pH值采集模块。本监测系统的pH值的采集模块由放大电路和溶液pH测量电极组成。pH值测量电极采用宽测量范围的玻璃电极，其测量范围为：0~14。pH电极通过化学反应将液体的酸碱度转换为电能输出。pH电极的两根输出线分别为：pH-参比电极和pH+测量电极。由于输出的电压微小需要通过运放将pH电极信号放大到LPC2103能检测的范围。

温度影响电极的输出信号电压值。在同一pH值的溶液中，不同温度时，检测电极输出的不同的信号电压。本pH值监测系统采用DS18B20作为温度检测传感器，对读取的电极的输出电压进行补偿。

2.3电力线载波通信模块。本pH值监测系统的酸碱度数据传输采用电力输电线作为传输通道。下位机LPC2103处理器读取pH值数据通过串口发送到电力线载波通信模块上。本监测系统采用科强电子公司推出的KQ-130F电力线载波通信模块。KQ-130F模块适用于0~220V的电力输电线上，具有抗干扰能力强、通信距离远、通信速度快等特点。在不添加通信中继情况下，通信距离可达1500m。KQ-130F模块内部已集成了信号的调制、解调、滤波等电路，采用该模块构建电力线通信模块能够提高系统的稳定性和通信速率。下位机LPC2103控制核心与KQ-130F电力线载波模块通过串口进行通信，波特率为9600bps。

本系统的上位机与下位机通信协议格式为：数据/指令+地址码+数据+CRC校验。上位机与下位机通信采用应答模式，当上位机发送pH采集指令码时，对应的地址编号的下位机接收到发送数据的命令后向上位机发送pH值数据。

3　pH值监测系统软件设计

本pH值监测系统上位机在PC机window系统上运行，应用程序由Microsoft公司推出的Visual Studio 2012集成开发平台构建。上位机接收显示程序采用c#进行开发和数据库采用SQL server 2008管理系统对pH数据存储和查询进行管理。本监测系统上位机负责接收、显示、保存数据等功能。电力线通信模块从电力输电线上耦合到载波数据经过放大和解调出pH值数据，将数据通过串口发送到PC机上显示。上位机应用程序采用轮询应答方式采集数据。本监测系统每个下位机都设定固定的地址，上位机发送读取pH值指令，对应地址的下位机开始响应返回液体的pH值数据。

4　系统测试

本pH值监测系统上位机应用程序在PC机上运行采用window7系统。每个下位机数据采集终端设置固定的地址编号，地址由两位十六进制数组成起始地址为：0X00 0X01，多个下位机依次增加。上位机每个1s轮询一遍所有下位机的pH值，实时显示各个采集点的pH值。在实验室环境中，系统能够实时稳定显示各个采集点的溶液pH值，采集的数据误差在合理范围内。pH值监测系统上位机操作界面如图2所示。

5　结论

基于电力线载波pH监测系统利用电力线作为数据传输媒介，只要有电线的地方即可组网通信，节省架设专用通信线路的成本，受环境制约较少，实用性较强。用户通过PC端上位机可以实时监测各个检测点的pH值。实验表明该系统生产成本低、运行稳定可靠、实时性强，可以应用于工业生产、农业、水产养殖业等领域，具有广泛的应用前景。

Design of pH value monitoring system based on power line carrier communication

Li Shuiming
（Liuzhou Railway Vocational Technical College，Liuzhou Guangxi，545006）

The monitoring system uses LPC2103 microprocessor and power line carrier communication module as the pH value acquisition terminal，pH data transmission through the power line network to the host computer display，to achieve real-time monitoring of pH value.

power line carrier；pH value；monitoring

TP302.1

A

李水明（1983- ） 男，汉族，硕士研究生，研究方向：智能控制、机器人。

图2pH值检测系统上位机操作界面

2016年度广西高校中青年教师基础能力提升项目（KY2016YB760）、2015年校级立项课题（2015-C21）

朱明瑞，曹广斌等.工厂化水产养殖水体的 pH 值在线自动控制系统［J］.水产学报，2007（3）：335-342.