一种水处理设备臭氧浓度远程监控系统的设计

孙鹏（通信作者），唐永鑫，邵振兴

山东威高宏瑞医学科技有限公司（山东威海 264200）

据调查统计，2019年，我国有超过300万的尿毒症患者，其中71万已接受血液透析治疗，并预计到2030年，我国接受血液透析治疗的患者数将突破400万[1]。血液透析作为现阶段临床治疗肾衰竭、尿毒症患者最可靠、最有效的方法，其治疗效果直接决定着患者的身体健康和生命质量。而在血液透析治疗过程中，透析用水的质量尤为重要，其直接影响透析治疗的效果，因此，做好对透析用水的日常消毒工作尤为重要。

在信息化时代背景下，智能化远程监控在不同行业领域中的重要性不断显现。本研究设计了一种水处理设备臭氧浓度远程监控系统，其可将互联网技术与水处理设备相连接，实现实时信息交流及对水处理设备的智能化监控和管理，使操作人员可以随时了解设备的运行情况，安全、及时地处理潜在的风险，全面提升水处理设备的综合性能。

1 系统组成

本研究设计的水处理设备臭氧浓度远程监控系统主要包括制水部分、消毒部分及控制部分。其中，制水部分主要包含前级过滤器、树脂软水器、活性炭过滤器、反渗透装置及管道和存储水箱。消毒部分采用的是臭氧消毒的方式，臭氧比一般含氯消毒剂更容易作用到生物膜，具有快捷、高效、稳定、无二次污染等特点；臭氧杀菌是利用氧原子的氧化作用，破坏生物膜的结构，以实现杀菌的效果，其杀菌速度快，适用于不锈钢或聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）管路，对于含有0.2～0.5 mg/L 臭氧浓度的纯水，一般可在10 min 内杀死细菌和病毒，而在更高的浓度和更长的作用时间下，可清除内毒素[2]；但是，含有臭氧的水对人体有害，我们可通过紫外线照射或加热到30 ℃以上的方法消除水中的残余臭氧，本设计提供了一种远程监控水处理设备臭氧浓度的方法，通过采用加热的方式消除多余的臭氧，可防止操作人员受到臭氧的伤害。控制部分主要包括现场传感器及控制器等装置，工程师可以随时远程访问现场设备，监控水处理设备的运行情况，了解制水及臭氧消毒过程，并对相关的泵与阀门进行启停等操作；该系统具备的报警短信功能可以将臭氧的浓度信息和设备故障信息随时发给工程师，避免故障处理时间上的延误。

2 系统的硬件设计

该系统的硬件组成包括现场设备端的数据采集系统、数据传输系统及控制系统三部分（图1）。其中，数据采集系统由臭氧浓度传感器、模数转换电路及电源电路、通信接口等外围电路构成，用于收集现场的臭氧浓度，以及将模拟量状态信号转变为数字量信号。数据传输系统基于通用分组无线服务（general packet radio service，GPRS）和WIFI 技术设计，用于控制系统与客户终端的信息交互，其中GPRS 网络基于通信运营商的基站运行，信号覆盖范围极大；WIFI 模块的数据传输速率快，实时性好，可支持复杂的信号交互；系统的输入节点用于对接传感器等检测装置，输出节点则可输出高速数字量、模拟量等控制信号，对接泵及阀门等执行装置。控制系统分为现场控制与客户端控制两部分，其中现场控制在先进精简指令集计算机装置（advanced RISC machines，ARM）的基础上实现，集成Linux 系统，具有代码质量高、支持硬件和通信协议范围广等特点；客户端控制基于VB6.0图形界面设计。

图1 系统的硬件组成

2.1 数据采集系统

臭氧浓度传感器选择炜盛公司的MQ131模块，用二氧化锡作气敏元件，产品的电导率和空气中的臭氧浓度成正相关。该传感器供电电压是5 V，由于其自身的输出电压只有20 mV，因此输出端需要接电压放大器，本设计选择LM224A 运算放大器，放大倍数是100倍。臭氧浓度传感器的部分电路设计见图2。

图2 臭氧浓度传感器的部分电路设计

本设计将AD7190作为模数转换器，其是零延迟、具有高分辨力且多路复用的24位Σ-Δ 型模数转换器[3]，因为控制器采用3.3 V 电源，所以数字电源也采用3.3 V 电源供电；片内集成可直接用的4.92 MHz 时钟，无需额外的晶振，AD7190功耗为4.35 mA。

2.2 数据传输系统

本设计采用性价比较高的嵌入式系统为核心，通过WIFI 和GPRS 技术连接现场设备和远程用户端，成本低，时效性强，且能更好地利用5G 技术的优势。

GPRS 以封包的形式传输数据，信道资源利用率高、数据传输速率快，属于第二代移动通信中的数据传输技术。本设计将SMIMCOM 公司的SIM-100作为GPRS 通信模块，集成了完整的射频电路和全球移动通信系统（global system of mobile communication，GSM）的基带处理器，属于GSM/GPRS 双频模块，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口，可以将设备的状态以信息的方式实时发送给手机终端[4]。该模块需两路电源：4.2 V 为音频电路供电；3.0 V 为VDD_EVT 引脚供电，保证模块与外部电路接口的电平匹配。SIM-100电源的电路设计见图3。

图3 SIM-100电源的电路设计

本设计将海凌科的HLKM30作为WIFI 通信模块，可以支持802.11n、g 和b 3种无线传输标准，有14个通信信道，天线式传输速度可达300 m 的距离，在一般的工业现场都可以满足要求；模块内嵌传输控制协议/网际协议（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP），支持全双工通信模式，实时性好，当提高微控制单元（microcontroller unit，MCU）和WIFI 模块之间的时钟频率时，即可增加数据发送和接受的速度[5]。HLKM30的接线电路见图4。

图4 HLKM30的接线电路

2.3 控制系统

本设计将三星公司的S3C2440A 芯片作为控制芯片，其基于ARM920T 核心，具有独立的16 kB 指令高速缓存和16 kB 数据高速缓存，最高工作频率可达400 MHz[6]；集成的外设包括内部8通道10位AD、130个通用IO 口、LCD 控制器、SPI 接口、IIS 接口、USB 接口、以太网接口及脉宽调制等，同时可支持60个中断，并支持WinCE、Linux 等操作系统。

本设计将德州仪器公司的TLC5615C 作为D/A 转换芯片，ARM 的数字量信号通过其可转化为模拟量信号，用于控制可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）的IO点或继电器，从而实现对设备的控制；其是3线串口型D/A 芯片，输出5 V 电压，上电时内部自动复位，功耗为1.75 mW，转换速率为1.21 MHz。信号驱动电路的设计见图5。

图5 信号驱动电路的设计

另外，本设计在ARM 上安装Linux 操作系统，并对传感器采集程序、GPRS 通信程序、WIFI 通信程序、报警程序和存储等程序模块的任务函数进行编写，且Linux 操作系统可调度全部任务函数。

3 系统的软件设计

3.1 Linux 系统的设计

Linux 是一种免费的、支持多任务及多线程的操作系统，硬件设备的各种信息通过该系统转化成文件的形式，只需对该文件进行操作即可操作对应的设备。开发过程如下：下载免费开源的Linux 内核源代码Linux-2.6.39.4；通过编译器修改根目录下“Makefile”文件配置内核，被设计使用makemenuconfig 方式。其特点是采用文本模式的图形用界面，操作性较好；将编译好的内核映像zImage 烧写到开发板。

3.2 GPRS 的软件实现

本设计中GPRS 模块通过UART1串口与ARM处理器进行通信，通过AT 指令操作该模块。首先进行串口的初始化：调用tcgetattr 函数读取终端的串口设置参数，并将该设置信息交给termios 存储；再调用tcsetattr 函数重新设置串口属性，如波特率等信息，完成串口初始化任务。部分程序如下：

由于AT 指令是以二进制格式编写，日常手机收发的短信则是采用PDU 模式编写，因此两者之间必须进行格式转换[7]，即当发送信息时，需要将文本信息转换成Unicode 码，再转换成PDU 的16bit 编码，GPRS 模块通过PDU 模式发送和接收短消息。部分程序如下：

3.3 WIFI 的软件实现

本设计采用手机/电脑等通过WIFI 无线网络与控制器通信，采用传统C/S 结构，建立基于TCP协议Socket 连接，控制器能够接收客户终端的指令并执行。

本设计采用基于TCP 协议的流式Socket 通信类型，其实际上是一种“open-write/read-close”的工作模式，有许多函数或例程可以直接用来开发，其中，函数调用Socket（）用来建立连接和传输数据。部分程序如下：

4 系统的应用效果

GPRS 的主要功能是实时传输报警信息，加之SIM-100模块的VDD_EVT 引脚有3.0 V 的模拟量信号，当S3C2440A 感应到臭氧浓度超标时，该系统即可将报警短信发送给指定号码的手机终端。经试验，该方案满足设计要求。

WIFI 的主要功能是实时传输现场设备的状态信息，实时性较好，克服了物理条件的制约。工程师可通过手机或电脑连接水处理设备的S3C2440A控制器，当手持客户端对设备的臭氧发生器和消除臭氧的加热器进行启动/停止操作时，TLC5615C模块将数字量信号转换为现场设备运行所需的模拟量信号，从而完成系统的远程监控。经试验，该方案满足设计要求。

另外，在使用MQ131传感器前应对其进行检验校正流程，因为该传感器长期工作在具有一定腐蚀性的环境中，在使用中需要定期进行校正，如必要，可通过软件方式对信号进行滤波等处理，以提高数据的精度。

5 小结

随着高质量血液透析需求的不断增加，广大患者对水处理设备的产水纯度要求越来越高，臭氧消毒等新型、高效的消毒方式亦受到越来越多的重视。为了在做好消毒工作的同时保护人员和环境的安全，本设计提出的臭氧浓度远程监控系统有一定的实践意义，不仅实现了对臭氧浓度的实时监测，而且通过远程的方式实现了对该系统的监控，避免操作人员受到臭氧的伤害，若在该系统的基础上增加其他的水质指标监控传感器，则可能实现更丰富的功能，为水质满足透析用水的要求提供进一步的保障。