在线式多参数水质监测系统的设计与开发

吴 迪,杨 昊

(中国计量大学 信息工程学院,浙江 杭州 310018)

现代工业发展越来越快,随之而来的环境问题也成了大家日常谈论的话题焦点,特别是与人们日常生活息息相关的水资源,国家对这方面给予了足够的重视,同时,随着人们生活水平的提高,我国渔业的发展也越来越迅速[1-5],未来的水产养殖将朝着规模化、现代化发展,但是养殖水质的环境条件直接影响了鱼类的生长,这时开发一款实时检测水质参数的系统就显得尤为重要了.

水质常用监测指标有氨氮、总磷、COD、溶氧量、电导率、温度、pH、水位等,由于实际应用和项目需求,本文设计了一款多参数水质监测系统,该系统对几个常见的水质参数,如：电导率、温度、pH、ORP和水位五个参数进行监测,并以此通过恒温槽[1]、电导率调节物质(KCl)、pH调节物来调节相关参数[2],根据相关国家标准,标定相关参数,提高设计的准确性[3-5].在设计中选取符合设计参数的相关传感器,配置相应的调理电路,数据由以STM32F103为核心的处理器采集并分析,然后通过RS485通信,将处理之后的数据送到上位机显示,进行实时的监测与分享.

1 系统的整体框架设计

在线式多参数水质检测系统主要由三个部分构成,数据采集部分、数据处理部分,数据显示和分析部分,系统整体框架如图1.

图1 系统整体框架Figure 1 System overall framework

数据采集部分：数据采集部分主要以五个水质参数探头为主,将实时采集的数据通过电压的形式,输送到数据处理模块进行数据处理.

数据处理部分：数据处理部分主要以STM32F103处理器为核心,配以相应的A/D转换芯片,将传感器采集上来的数据进行处理,打包,等待上位机的命令上传.

数据显示和分析部分：给下位机发送数据上传指令和相应的传感器数据标定指令,将打包的数据接收上来,对采集到的数据进行存储并对数据进行分析.

2 硬件设计

系统的硬件设计主要有四个模块：对传感器采集上来的电压信号进行调理放大是一个模块,简称信号调理模块;A/D转换模块;电源模块;数据通信模块.硬件设计框图如图2.

图2 硬件设计框图Figure 2 Hardware design block diagram

电源模块：为了保证传感器小信号采集的可靠性,电源系统考虑将数字信号和模拟信号分开,采用DC-DC隔离电源设计方案.由于整个系统要求低功耗,所以每路传感器采集电路都是电源可控的,系统总电源为12 V,通过LM2675、LM2733、ASM1117-3.3V、LM385、ADUM5000、ADUM5402、REF3125等一系列降压、升压和电压转换芯片,将12 V电压分配给各个模块,这样既可以满足各个模块的正常供电,也有效的实现了电气隔离.

信号调理模块：根据各个传感器的输出信号的量程,采用不同的放大电路、电压跟随电路、滤波电路等,选用相匹配的电子元器件,对信号进行初步调理,使之能够有效的进行后端的软件处理,并保证数据的准确性.

A/D转换模块：A/D转换模块主要有两个,温度、pH、ORP、溶氧传感器使用的是外部A/D芯片ADS1241,电导率使用的是STM32F103的内部A/D转换芯片.ADS1241芯片具有八个采集通道,与STM32F103之间采用SPI通讯方式,为了提高通信的准确性,中间还使用了ADUM1200进行数据隔离.

数据通信模块：上位机与下位机的通讯采用RS485通讯,通讯协议采用MODBUS协议,485芯片采用的是MAX13487,为防止来自上位机串口的脉冲的和电泳,数据传输电路辅之以齐纳管和保险丝,同时为了整个通讯电路的安全和调试的方便,并保证数据的准确性,使用ADUM5402对整个通信模块进行电气隔离.

3 软件设计

软件设计主要介绍的内容包括系统工作总流程、下位机数据采集工作流程以及相关的通信协议的制定.

整个在线式多参数水质监测系统最大的一个特点就是数据监测的实时性,如图3系统工作总流程所示,整个系统初始化完成之后,上位机根据MODBUS协议每隔1 min向下位机发送一次上传数据的命令.下位机每隔20 s对传感器数据进行一次采集处理,并将采集到的数据按照MODBUS协议规定的格式保存在相应的寄存器空间内,如果下位机收到了来自上位机的的上传数据命令,就会将事先存储在寄存器里的数据打包,通过RS485通信将数据发送到上位机上.上位机将数据实时显示出来,方便我们进行后续的数据分析.

图3 系统工作总流程Figure 3 System work process

下位机传感器参数采集系统是整个传感器采集系统中最重要的部分,其工作流程如图4,整个流程以STM32内部的滴答定时器时钟为主线,滴答定时器中断每1 ms触发一次,这时STM32内部的AD模块会完成对电导率值进行一次采样,并将采样结果保存在内部FLASH中.如果电导率数据采集5次以上,则会触发外部中断,并进行外部AD1241的采集,采集完毕发送标志位.当20 ms以后,系统会检查上位机是否发送上传数据的请求,且发送寄存器中有数据则上传数据.当100 ms以后,如果AD1241已经进行了数据采集,则开始读取电导率的值,读取完毕后,发送读取完毕标志位.当500 ms以后,则会对所有采集上来的数据值配以相应的算法,计算出它们的模拟值,并进行优化处理,然后打包上传到发送寄存器中等待发送.

数据传输协议和数据格式的介绍：

1)Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言.通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如WIFI)和其它设备之间可以通信[6-11].它已经成为一种通用工业标准.许多工业设备,包括PLC、DCS、智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通信标准.所以本系统也搭载了Modbus协议其读取数据帧格式如表1,主要包括地址码、功能码、起始寄存器高字节、起始寄存器低字节、寄存器数量高字节、寄存器数量低字节、CRC校检高字节、CRC校检低字节.其发送数据帧格式如表2,主要包括地址码、功能码、数据位个数、数据字段、CRC校检高字节、CRC校检低字节.

表1Modbus协议读取数据数据帧的格式

Table 1 Format of Modbus protocol read data data frame

地址码功能码起始寄存器高字节起始寄存器低字节寄存器数量高字节寄存器数量低字节 CRC校检高字节 CRC校检低字节

表2 Modbus协议发送数据数据帧的格式

图4 下位机数据采集工作流程Figure 4 Lower computer data collection workflow

4 系统传感器参数的标定

4.1 电导率传感器的标定

根据电导率传感器的工作原理,选择不同梯度的溶液进行标定测试[5],通过美国哈希电导率仪测试的数据和本系统测试的数据进行标定拟合,电导率测试数据表如表3.

表3 电导率测试数据

根据上述采集到的数据利用origin软件进行曲线拟合,两者曲线拟合图如图5.

图5 哈希和本系统所测试的电导率的曲线拟合图Figure 5 Curve fitting of conductivity tested by HACH and the system

根据拟合后的曲线可以获取两者的相关线性关系如下：

E1=0.708×E2+48.627.

(3)

式(3)中:E1为本系统测得的数据,E2为哈希电导率仪测得的数据随后将获取的两者的关系曲线系数写入到软件中.在软件中便可以将采集到的电压值直接存在寄存器,可以直观的获取水质的电导率值.

4.2 pH传感器的标定

根据pH传感器的工作原理,选择不同梯度的标准溶液进行标定测试[2-4],系统测得的电压值如表4.

表4 pH测试数据

根据上述采集到的数据利用origin软件进行曲线拟合,pH值和电压值的曲线拟合图如图6.

图6 pH值和电压值的曲线拟合图Figure 6 Curve fitting of pH value and voltage value

根据拟合后的曲线可以获取pH值和电压值的相关线性关系如下：

U=-62.4766×P+428.0561.

(3)

随后将获取的两者的关系曲线系数写入到软件中.在软件中便可以将采集到的电压值直接存在寄存器,可以直观的获取水质的pH值.

5 测试结果分析

5.1 准确性测试

连接传感器,将传感器放置在各个事先配好的标准溶液中测试,看测试结果是否正常.如若误差太大,不在允许范围内,则从软件仿真出发,在根据设计电路和传感器原理,用万用表进行实际计算或测量,检查哪一块电路出现了问题.首先选用有标准液的电导率和pH传感器进行标液测试,测试结果如表5,然后在同一溶液,同一环境下,将美国哈希多参数检测仪和本系统检测结果进行对比,测试结果如表6.

表5 传感器标液测试结果

表6 美国哈希多参数检测仪和本系统检测结果

根据定量测试表中的误差数据可知,参数均在允许的误差范围内,能够满足系统设计的性能指标要求.在高精度控制水质参数变化的过程中,该系统能够实时在线提供有效的数据.

5.2 稳定性测试

将传感器放置在电导率浓度为220 μs/cm的标准溶液中,连接整个系统,连续跑上几天,每1 min记录一次采集上来的数据,进行稳定性分析,分析结果绘制成如图7.

图7 电导率采集数据分析Figure 7 Analysis of conductivity acquisition data

由上图可以分析得到,电导率值在正常的范围内波动,均在允许的误差范围内,能够满足系统设计的性能指标要求.在高精度控制水质参数变化的过程中,该系统能够实时在线提供稳定的数据.

将传感器放置在水溶液中,上电运行整个系统,每1分钟记录一次采集上来的数据,使整个系统一直保持在运行状态,经过长时间的监测,获取一定量的数据,进行稳定性分析,分析结果绘制成如图8.

图8 ORP采集数据分析Figure 8 ORP acquisition data analysis

由上图可以分析得到,ORP值在正常的范围内波动,均在允许的误差范围内,能够满足系统设计的性能指标要求.在高精度控制水质参数变化的过程中,该系统能够实时在线提供稳定的数据.

将传感器放置在浓度为3.86的标准pH溶液中,上电运行整个系统,每1分钟记录一次采集上来的数据,使整个系统一直保持在运行状态,经过长时间的监测,获取一定量的数据,进行稳定性分析,分析结果绘制成如图9.

图9 pH采集数据分析Figure 9 Analysis of pH collection data

由上图可以分析得到,pH值在正常的范围内波动,均在允许的误差范围内,能够满足系统设计的性能指标要求.在高精度控制水质参数变化的过程中,该系统能够实时在线提供稳定的数据.

6 结语

本文针对水质检测的需求,结合现代化电子科技和全自动化技术的相互结合,对现代化的水质改善仪器的优缺点进行分析,并利用嵌入式微控制技术,制定了智能化水质检测系统的总体设计方案和硬件设计,并详细的介绍了智能化水质监测仪器的开发设计方案和仪器的开发调试.经过长期的仪器测试,能够满足仪器的设计要求,实现了水质监测的自动化过程,促进了工业智能化的发展.

我相信未来水质监测仪器的发展趋势将是无线通信技术和互联网技术结合,加上自动化控制技术设计出一套功能健全、精准度高、智能化控制的远程检测设备.能够满足靠水生存的各行各业对水质检测和调节的需求,促进行业快速发展,降低生产的成本.