基于ZigBee的水質pH值在線監測系統

趙小強， 馮 勛

(西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121)

基于ZigBee的水質pH值在線監測系統

趙小強， 馮 勛

(西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121)

為了提高在水質pH值監測中的實時性與測量精度，設計一種基于ZigBee的水質pH值在線監測系統。該系統由數據采集節點、數據匯聚節點與監測中心計算機構成,其中數據采集節點采用STM32微處理器進行實時數據采集，并使用CC2530無線射頻芯片將采集到的水質數據通過ZigBee網絡轉發至數據匯聚節點，數據匯聚節點負責將水質數據通過串口實時傳輸至監測中心計算機。系統采用二維回歸方程對水質數據進行融合處理，以減小溫度對pH值測量精度的影響。測量數據對比性實驗結果顯示，系統具有較好的實時性和測量精度，能夠滿足水質pH值監測需要。

pH值;ZigBee;STM32;溫度補償

pH值監測是水質監測中的重要組成部分，傳統的水質pH監測系統主要采用了現場總線與串行總線等有線通信技術，在實際pH值現場測量中，由于監測系統長期安裝于潮濕環境中，采用有線通信技術的監測系統存在安裝維護困難、信息傳輸可靠性低等問題[1]。此外，由于pH傳感器的特性，通常溫度對測量結果影響較大，且輸出信號范圍較小，為克服溫度影響，目前普遍采用的補償方法主要有硬件補償法與兩點校準法，但是由于硬件補償法中硬件電路自身存在精度不高、噪聲較大的問題，以及兩點校準法中標定模型對測量精度的限制，均導致實際應用中pH值測量精度仍然較低[2-4]。

本文擬根據成熟的ZigBee技術[5-6]，考慮溫度對pH傳感器的影響，設計一種基于ZigBee的水質pH值在線監測系統。該系統以STM32微控制器與無線射頻芯片為核心，實現了在無線傳感網絡中水質pH值信息、溫度信息的實時采集和誤差修正。

1 系統總體設計

水質pH值在線監測系統的總體結構框圖如圖1所示。一般按照需要布置多個數據采集節點，每個采集節點定時采集水質pH值傳感器與溫度傳感器的數據，并將采集到的數據按通信協議封裝后通過ZigBee網絡發送至匯聚節點；匯聚節點將整個ZigBee網絡采集的數據通過串口實時傳輸至監測中心計算機，經過誤差修正處理后顯示。

圖1 系統結構

2 系統硬件設計

系統數據采集節點主要由主控制器、無線傳輸模塊、溫度傳感器、pH復合電極及其測量電路4部分組成，硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 數據采集節點硬件

系統主控制器選用STM32F103VET6芯片，該芯片是基于ARM Cortex-M3內核的32位微處理器，工作頻率為72 MHz，具有512KB FLASH與64 KB SRAM，并且片上集成有8個定時器、3個12位分辨率的模數轉換器、5個多功能串口與80個IO口，能夠滿足pH值在線監測系統的設計及后期擴展要求[7]。

2.1 pH值測量電路

pH傳感器采用上海雷磁公司的E-201-C型pH復合電極，該傳感器由鈉玻璃吹制成的敏感薄膜構成信號電極，由銀-氧化銀構成參比電極，能夠通過測量參比電極與信號電極兩端的電壓獲得溶液中氫離子活度。當被測溶液pH值由1變化到14時，pH復合電極的輸出電壓從正值變化到負值，并且由于pH復合電極自身內阻較高(108～1010Ω)，輸出信號電壓變化幅度較小，因此需要對pH復合電極的輸出信號進行平移、放大處理，將輸出信號范圍轉換到0～3.3 V以內，以符合A/D模數轉換電路要求。使用電阻分壓電路抬高pH復合電極輸出電壓實現信號平移，為保證pH復合電極輸出信號的準確性，采用TL431A精密穩壓源進行穩壓。放大電路采用TI公司的自校準精密雙路運算放大器TLC4502芯片，該芯片支持2路放大器，并且具有自校準輸入失調電壓、低輸入失調電壓溫漂及軌至軌輸出的特點。pH復合電極輸出的mV級信號輸入TLC4502芯片，經過平移、放大后進入A/D模數轉換器。pH值測量電路如圖3所示。

圖3 pH值測量電路

2.2 溫度采集電路

溫度采集電路采用單總線結構的溫度傳感器DS18B20采集溫度數據，該傳感器測量溫度范圍為-55～125℃，精度為±0.5℃，只需要將DS18B20的DQ端與STM32微控制器的I/O口相連即可編程讀取溫度數據。測量溫度數據主要用來對pH傳感器進行溫度補償。

2.3 ZigBee通信電路

ZigBee通信芯片選用TI公司的CC2530，該芯片是一個支持ZigBee應用的片上系統，芯片內部集成了增強型的8051內核與RF收發器，使用TI公司提供的ZigBee協議棧(Z-Stack)可以方便的組建ZigBee網絡。本系統數據采集節點中CC2530被編程為ZigBee路由節點來采集、傳輸水質信息，CC2530與STM32微處理器通過串口進行通信，即將CC2530的P0.2、P0.3接口與STM32的PA9、PA10接口相連，CC2530通信電路如圖4所示。

圖4 STM32與CC2530連接

串口通信波特率為9600 bps，數據位8位，無奇偶校驗位，停止位1位。通信協議由幀頭、編號、源地址、設備類型、溫度數據、pH數據、幀尾7部分組成，如表1所示。

表1 CC2530與STM32通信協議

其中幀頭1個字節，固定為0XA5，表示一幀數據的開始；編號2個字節，記錄數據包編號；源地址2個字節，表示數據來源，取ZigBee終端設備自身MAC地址的低2個字節作為設備地址；設備類型1個字節，0X1A代表協調器，0X1B代表路由器，0X1C代表終端節點；溫度數據2個字節，記錄溫度傳感器的輸出數據；pH數據2個字節，記錄pH傳感器輸出信號的A/D模數轉換值；幀尾1個字節，固定為0X5A，表示1幀數據結束。

3 系統軟件設計

CC2530通信模塊程序使用IAR開發環境開發，CC2530在數據采集節點中被編程為ZigBee網絡路由節點，在數據匯聚節點中被編程為ZigBee網絡協調器節點。STM32微處理器程序通過嵌入式系統MDK開發環境使用C語言開發。

數據采集節點下位機程序主要包括溫度數據采集、A/D模數轉換、串口通信等函數。數據采集節點上電后進行初始化打開定時器，然后等待定時器溢出中斷，在定時器中斷函數中通過A/D模數轉換采集pH傳感器輸出數據，通過DS18B20單總線協議采集溫度傳感器數據，將數據按照通信協議存入發送緩沖區后，通過串口發送給CC2530 ZigBee通信模塊，通信模塊從串口接收數據后，通過ZigBee網絡轉發至數據匯聚節點，再由數據匯聚節點發送至上位機，上位機接收到完整1幀水質數據后能夠提取出溫度數據與pH傳感器輸出數據。數據采集節點軟件流程圖如圖5所示。

圖5 數據采集節點流程

4 數據處理方法

為了減小溫度對pH傳感器輸出信號的影響，監測中心上位機在提取出原始水質數據后，采用基于二維回歸分析原理的曲面擬合算法對pH傳感器進行溫度補償[8-9]。使用水質數據中pH傳感器輸出電壓U及溫度T的二元函數來表示經過了溫度補償的pH參量

VpH=f(U,T)。

由二維坐標(U,T)所決定的VpH在同一曲面上，該曲面可利用二次曲面擬合方程描述為

VpH=α0+α1U+α2T+

α3U2+α4UT+α5T2+ε。

若上式的各個常系數已知，當獲得電壓U及溫度T時，便可代入其中計算得到被測參量VpH。

為了計算方程各系數，在pH傳感器的量程范圍內確定n個pH標定點，在工作溫度范圍內確定m個溫度標定點，各個標定點的標準輸入值依次為

V1，V2，V3，…，Vn,

T1，T2，T3，…，Tm。

(1)

總計有m×n個標定點，其均方誤差R應最小。顯然

(2)

是常系數α0,α1,a2,α3,α4,α5的函數，根據多元函數求極值條件，分別對αi(i=0,1,…,5)求偏導且令導數為零，則可最終得到各個常系數，從而完全確定二次曲面擬合方程。

5 實驗數據測量與分析

實驗采用pH酸度計作為標準測量儀對pH復合電極進行標定以及對整個系統進行誤差分析。將pH酸度計以及數據采集節點的pH復合電極、DS18B20溫度傳感器一同放入盛有待測溶液的燒杯中，實驗裝置如圖6所示。

圖6 實驗裝置

通過在溶液中添加化學試劑HCL與NaOH改變其pH值，記錄每次pH值改變后pH酸度計顯示的標準pH值與上位機實時接收到的溶液溫度T與pH傳感器輸出電壓U，得到的實驗數據(表2)。

將實驗測量得到的200組實驗數據隨機選取180組代入式(1)和式(2)，計算擬合方程各常系數 ，得到曲面擬合方程

VpH=18.590 - 0.009 042T-

3.647U+ 0.000 235 8T2-

0.010 69TU- 0.374 2U2。

(3)

曲面擬合方程的函數圖像如圖7所示。

表2 實驗數據

圖7 擬合圖像

為驗證擬合方程的有效性，將曲面擬合時未使用的20組實驗數據中溶液溫度T與電壓U代入曲面擬合方程式(3)求得20組pH測量值并與實驗中記錄的pH標準值作對比，結果如表3所示。

實驗結果中，20組使用二次曲面擬合方程計算所得的pH測量值絕對誤差小于±0.2，平均相對誤差約為1.19%，具有較好的測量精度，驗證了二次曲面擬合方程在處理pH傳感器溫度補償時的有效性。

表3 實驗結果

6 結語

設計并實現了基于ZigBee的水質pH值在線監測系統，能夠在組網的情況下實時采集水質pH值信息，同時具有較好的測量精度。此外系統搭配不同的水質傳感器與其數據處理方程，還能夠測量水質的其它信息。

[1] 鄒應全,行鴻彥.高精度pH測量儀研究[J].測控技術,2010,29(9):1-4.

[2] 張坤,薛文玲,李志林,等.基于USB接口的在線pH值監測系統[J].儀表技術與傳感器,2013,13(7):64-66.

[3] 陳瑤,薛月菊,陳聯誠,等.pH傳感器溫度補償模型研究[J].傳感技術學報,2012,25(8):1034-1038.

[4] 譚靖.基于AD7792的pH在線監測傳感器采集電路設計[J].電子科技,2013,26(12):93-95.

[5] 石家駿,鐘俊,易平.基于ZigBee的無線抄表系統網關的設計與實現[J].計算機工程與設計,2011,32(3):875-878.

[6] 徐鵬,姚引娣.基于物聯網的糧倉監測系統設計[J].西安郵電大學學報,2013,18(3):122-124.

[7] 劉火良,楊森.STM32庫開發實戰指南[M].北京:機械工業出版社,2013:124-138.

[8] 陳湘萍,劉南平,蔡舉.一種多傳感器數據信息的融合算法[J].天津師范大學學報:自然科學版,2011,31(1):42-44.

[9] 劉君華.智能傳感器系統[M].西安:西安電子科技大學出版社,2004:34-120.

[責任編輯:王輝]

A pH value online monitoring system based on ZigBee

ZHAO Xiaoqiang， FENG Xun

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an, 710121, China)

In order to improve the real-time performance and measurement accuracy of water pH value monitoring, a pH value online monitoring system based on ZigBee is designed in this paper. The system consists of data collection nodes, a sink node and a monitoring computer. The STM32 microcontroller is used to collect the data in data collection nodes, and TI CC2530 RF chip is used to send the data to sink node by ZigBee wireless network. All network data are sent to monitoring computer by serial port in sink node. In addition, measurement data are fused by two-dimensional regression equation to reduce the temperature effect on the pH measurement accuracy. Measurement data comparative experiments show that the whole system has better real-time performance and higher measurement accuracy, and therefore can meet the requirements of pH monitoring system.

pH, ZigBee, STM32, temperature compensation

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.06.014

2014-06-18

工業和信息化部通信軟科學研究計劃資助項目(2014R38)；陜西省教育廳服務地方專項基金資助項目(14JF022);西安郵電大學研究生創新基金資助項目(112-2012)

趙小強(1977-)，男，碩士，副教授，從事物聯網研究。E-mail:zxq7703@126.com 馮勛(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為物聯網技術與應用。E-mail:379334525@163.com

TP216

A

2095-6533(2014)06-0071-05