基于光纤传感器的高精度浊度远程监测系统

施展 宋琦 李焘任 唐建凯

摘 要：本文基于浊度测量发展趋势，设计了一种基于光纤传感器的远程监测系统，实现了浊度的远程监测和实时预警控制功能。为在浊度测量中提高灵敏度和精度抗干扰能力，本系统选择了薄型模拟光纤传感器FX-11A，基于比尔朗伯定律，通过实验研究其传感特性，优化得到了高精度的测量曲线。该系统选用STM32系列单片机为微控制器，以无线通信模块LAN8702A将测量结果通过以太网发送给上位机，实现远程在线监测和控制，符合浊度远程监测的发展趋势。

关键词：光纤传感器;浊度;远程监测

本系统分为数据采集端、数据处理端和远程监测系统。数据采集端包括光纤传感器和温度传感器;数据处理端包括分压器、跟随器、电源转换等模拟电路和STM32F407微控制器;远程监测系统部分则包括LAN8702A通信模块、路由器和上位机。

数据采集端负责在现场采集液体浊度的信息。光纤传感器具有重量轻、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、易于重复使用等优点，广泛应用于土木工程、生物医学、电力系统等领域。在实验中，我们选择集成了模拟电压输出的FX-11A薄型模拟光纤传感器。FX-11A有两组光纤，一组用于发光，另一组用于接收浊度体吸收后的衰减光，如图1所示。传感器接收到衰减光后，输出相应的模拟电压。光纤传感器具有1～5v的模擬电压输出，将其经过分压电路进行线性压缩，转换为3.3V内的模拟电压供STM32F407微控制器采集。

STM32F4系列是由意法半导体开发的一种Cortext-M4内核的高性能微控制器，它的低成本、低功耗性能使其在数字信号控制领域得到广泛的应用。它具有12位模数转换器（ADC），可以通过外围模块与以太网通信，因此我们选择STM32F407作为检测系统的核心。

根据比尔朗伯定律，入射光经过混浊液体后，透射光强度会得到一定程度的衰减，其衰减程度与液体浊度呈指数关系。在实验中我们使用福尔马肼标准溶液配置4000浊度单位范围内的多组样本溶液进行测量，并使用MATLAB对数据进行拟合。经过多次校准、修正后，得到了较为良好的拟合结果。微控制器将采集到的模拟信号通过AD转换为数字信号，然后根据拟合结果，对数字信号进行运算处理，就可以得到浊度值的测量结果。经验证，其在200～2000浊度单位内可以对浊度进行精准测量。

从实验中我们得出结论，对于低浓度浑浊液体（小于200NTU），微控制器接收到的模拟电压值接近峰值，这是因为光线通过低浓度混浊液体后衰减程度极小，无法准确测量它们之间的差异。在后续的实验中，可以考虑增加样品浊度瓶的宽度（增加光的衰减距离）来解决这个问题。对于高浓度浑浊液体（大于2000NTU），光纤传感器的透过率较低，处理器的ADC精度不足以辨别他们之间的差异，可以通过光纤传感器的螺旋按钮调节其灵敏度，或者考虑通过减小光的衰减距离来解决这个问题。

实现远程监控和预警功能的监测系统硬件连接如图2所示。其中LAN8720A是一款低功耗以太网物理层芯片，在远程监测系统中，我们将LAN8702A芯片作为STM32F407微控制器的外设芯片，它相当于TCP/IP协议的物理层，而STM32F407的MAC层相当于数据链路层，小型嵌入式TCP/IP协议则提供网络层和传输层的功能。该以太网通信系统测量到的浊度数值以标签的形式传递给Web服务器，就可以作为应用层实时显示数据。

当程序加载到STM32F407微控制器中后，会初始化各种相关硬件和LWIP，然后LWIP初始化LAN8720A，请求内存分配，打开动态主机配置协议服务，打开网络接口卡。当DHCP成功获取IP时，Web服务器服务将启动。将STM32F407与路由器连接，并将路由器静态IP中的首选DNS设置为STM32F407的IP地址，以便计算机、手机和其他电子设备可以传输数据，实现实时监控。设备在连接到系统所发出的Wi-Fi后，只需要在浏览器上输入开发板的IP地址，用户就可以进入监测界面。如图3所示，我们制作了一个网页来显示这些数据。

监测系统在许多领域发挥着重要作用，本系统利用STM32微控制器高性能、低功耗和低成本的特点， 结合光纤传感器的传感特性， 构建了所需的远程监测系统。STM32F407微控制器的使用有效简化了硬件设计及其开发环境，方便了系统编程。远程数据传输部分充分利用了以太网带宽大、可扩展性强、结构简单、成本低廉的特点。通过实验验证， 该系统可以实时在线监测200～2000浊度范围内的浊度值，具有测试精度高、实时性好、速度快等优点， 满足浊度远程监测系统的需要。在后续的研究中，该系统可以结合多点分布式监测的发展趋势，形成大范围的监测网络，并且通过数据的存储和可视化分析，为浊度监测提供更好的方案。

参考文献

[1]吴刚.光纤浊度传感器的研究与设计[D].中国计量学院，2014.

[2]嵇康，张杰，夏建平，林茂宽，李兵强.基于STM32F103的远程监测仪器系统设计与应用[J].信息与电脑（理论版），2016（13）：115—116.