水中pH值遠程測定方法研究

沈彬，陳亦琦， 施慧彬

(南京航空航天大學 計算機科學與技術學院，南京 211106)

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水中pH值遠程測定方法研究

沈彬，陳亦琦， 施慧彬

(南京航空航天大學 計算機科學與技術學院，南京 211106)

摘要:使用pH電極傳感器結合STM32F411RE控制模塊，開發出可以遠程自動測量水中pH值的智能檢測設備。該設備可以直接測量水中的pH值，然后通過通信模塊將采集的數據發送到監控平臺。監控平臺記錄數據、分析數據，以更好的人機交互界面呈現出來，還可以接入自動報警設備，當pH值出現異常時，提供警示信息，防止對工業控制和食品加工的后續過程造成危害。

關鍵詞:pH值;傳感器;STM32F411RE;遠程控制

引言

pH值是工業生產過程中的一個十分常見的控制參數，保持被控過程的pH值穩定，對穩定生產過程、提高產品質量、減少原材料消耗等均起到非常積極的作用。因此，在工業生產過程中，實施監控pH值的自動控制系統具有很重要的意義。隨著IoT概念的興起，物聯網硬件發展迅速，為pH值自動監控系統的建立奠定了良好的基礎。

1系統方案

基于傳感器的水中pH值遠程測定系統主要由3部分組成：傳感器部分、微控制器部分和上位機。系統組成部分如圖1所示。

圖1系統組成部分

本課題主要負責的是微控制器部分設計，在傳感器測得數據后能夠進行處理、存儲和傳輸。上位機和微控制器通過網絡連接，可發送操作命令或讀取數據。上位機可以是電腦，也可以是Android智能手機，這里采用Android智能手機作為上位機，通過Wi-Fi與控制器連接。

系統總體設計如圖2所示，分為兩大部分：底層控制模塊和上層模塊。核心是基于ARM Cortex-M4核的STM32微控制器。

圖2　系統總體框架

2系統硬件設計

pH遠程測定系統硬件采用ST公司基于Cortex-M4內核的STM32F411RE，處理功能強大，使用方便，被廣泛應用于工業自動化領域。STM32F411RE工作頻率高達100 MHz，有多種供電方式，Cortex-M4內核使功耗和性能取得平衡[1]。

供電方式包括USB供電和外部電源供電。USB供電簡單可靠，但需要專門的接口和線路，而外部電源供電靈活多變，可操作性更強。基于以上考慮，最終采用外接電源供電。外部電源采用三星的3.7 V鋰離子電池，電池容量為1 500 mAh，可以滿足實驗條件。

STM32F411RE有兩個晶振為內部系統提供時鐘源：一個是高速外部時鐘(HSE)，頻率為8 MHz的石英晶振，為系統提供較準確的主頻；另一個是低速外部時鐘(LSE)，頻率為32 MHz。系統的RTC功能依靠768 kHz的石英晶振實現。STM32F411RE系統時鐘(SYSCLK)為100 MHz，AHB總線時鐘為100 MHz。SysTick時鐘源采用AHB總線時鐘，設置為1 ms跳動一次，為μC/OS-II提供系統的時基。

pH傳感器的電極采用上海雷磁E-201-C pH復合電極(纖維鹽橋，銀-氯化銀參比，3.0 mol/L氯化鉀外參比溶液(含氯化銀)，常用于實驗室常規pH值測量)。E-201-C的pH測量范圍為0～14，溶液溫度范圍為5～60 ℃，測量精度達到0.01。pH采集與轉換模塊將pH值通過串口傳輸到MCU，模塊精度為0.05，分辨率為0.01，供電電壓為3.3 V。將STM32F411RE的GPIO口定義為推挽輸出以驅動pH傳感器模塊工作。

遠程測量離不開無線傳輸。對比Wi-Fi、藍牙、ZigBee等無線傳輸技術，Wi-Fi具有無線電波的覆蓋范圍廣，傳輸速率高的優點[2],故選擇Wi-Fi來實現遠程控制。Wi-Fi模塊采用USR-Wi-Fi232-T，模塊體積小、功耗小、成本低、有外置天線，支持多種工作方式,硬件上集成了MAC、基頻芯片、射頻收發單元、TCP/IP協議棧。Wi-Fi模塊工作電壓為2.8～3.6 V，正常模式下平均電流為12 mA，待機模式下電路小于200 μA，工作溫度在-40～85 ℃之間。Wi-Fi模塊通過串口與MCU連接，可以實現串口的透明傳輸。

采集的pH數據一般需要記錄下來，需要一些存儲空間。STM32F411RE自帶512 KB Flash，程序占用了大約16 KB，還有很大的空間可以利用。可以選擇Flash中Sector4的64 KB，地址空間范圍是0x0801 0000～0x0801 FFFF。記錄數據格式為時間和pH值，占用空間為32 KB，于是Sector4中最多可以記錄2K項數據。

3系統軟件設計

3.1系統軟件總體框圖

圖3　系統軟件總體框圖

圖3是系統軟件總體框圖，按照實現功能不同將系統分為不同模塊，模塊之間既有獨立性，又有關聯性，以實現pH遠程測定為目標組合在一起。

3.2嵌入式系統程序

為了提高系統的實時性和可靠性，我們將μC/OS-II操作系統移植到STM32F411RE上。μC/OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁減的搶占式實時多任務內核，包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務間通信同步和內存管理等功能。μC/OS-II操作系統簡化了pH值遠程測定的各種任務的調度[3]。

ST的微控制器有Keil、IAR等多種開發平臺，在這里選擇ARM公司的Keil μVision5作為開發環境。STM32系列有官方的庫，源代碼開放。庫就是將底層寄存器相關代碼全部封裝成函數，簡化對寄存器的操作。熟悉庫函數的操作可以降低開發難度。在此次開發中對STM32F411RE的操作是基于庫函數的，提高了代碼的可讀性。

嵌入式系統程序的核心是 μC/OS-II操作系統，在 μC/OS-II下創建了兩個任務。主任務負責pH數據采集、處理和傳輸；輔任務負責檢測pH值是否處于安全范圍，如果超出閾值則發出警報。

在主程序之前，首先要初始化系統時鐘、串口等，設置好硬件接口，然后設置中斷向量，編寫USART中斷處理子程序。需要注意的是,μC/OS-II下中斷程序有專門的入口和出口，要在庫函數的中斷處理子程序上添加OSIntEnter( )和OSIntExit( ) 。

主任務可以細分為多個子程序，實現多種功能。具體為時間校正、報警開關、報警閾值設置、睡眠模式開關、傳感器開關、測量間隔設置、實時pH數據查看和歷史pH數據查看。為了確定調用的子程序類型，需要設計一套簡單的命令式指令來明確調用的是什么程序。上層發送指令，經過字符串處理解析，確定指令含義，進一步調用下層處理函數。指令的格式和含義如表1所列。

表1　指令介紹

3.3Android程序和網站

3.3.1Android客戶端架構

Android是由Google開發的基于Linux內核的操作系統，隨著安卓設備的快速發展，其不再僅是通信的終端，還是各種網絡的終端[4]。本系統采用客戶端/服務器模式，服務器端由帶有Wi-Fi模塊的底層控制設備組成，Android客戶端負責與底層設備進行socket通信，發送命令并暫存數據，最終將數據上傳至自建的pH數據管理網站的數據庫中進行存儲。本設計相比傳統的pH檢測器，更加便宜、靈活，用戶手機操控時界面更加友好，并且可以將數據長期性存儲在云平臺上。

3.3.2Android客戶端界面設計及主流程

Android手機客戶端支持4.0及以上手機，開發環境為Android SDK+JDK8+Eclipse4.2.1，采用XML布局，具有多個Activity，包括過場檢測、連接MCU、若干參數設置、警報、測量、折線圖顯示等界面。開發時將模型層與顯示層分開，工具類單獨存放，分布在不同的包里。

運行時，底層控制模塊與客戶端通信，為其分配端口號，用戶與其Socket連接成功后，可進行下一步操作，在功能選擇界面中選擇相應的設置內容。具體操作時，我們輸入的參數，選擇的圖標狀態會被解析、檢測，并封裝成設計的指令中的操作數，再配上相應的操作碼形成命令，進行相應的Socket連接，配置參數并發送。最終，通過Handler處理不同的返回碼對應的操作，若發送成功則有對應的數據格式解析，發送失敗會鑒別是請求超時還是響應結果不對，有相應的錯誤碼對應，方便用戶了解設備運行情況。

在數據顯示時，采用了AChartEngine[5]這一圖表引擎進行折線圖的顯示，AChartEngine是為Android應用而設計的繪圖工具庫，支持縮放操作，通過對其參數的相應配置，對原有圖表的重新封裝后定制出我們自己使用的圖像數據接口。獲取的數據可以是實時的，也可以是歷史的，暫存的數據可以通過Volley[6]請求(Google提供的Volley庫，適合數據量不大但是通信頻繁的場景)上傳pH數據到云平臺上。

3.3.3網站客戶端架構

網站客戶端提供對設備、測量數據(此處用于pH數據)和用戶的管理，架在mopaas云平臺上，本地開發時采用Windows+Apache+PHP+MySQL的環境進行調試，支持多用戶、多設備使用，設備ID及數據ID均通過混合的加密算法生成，加密算法以base64為基礎，混雜著“鹽”(隨機串)和md5等方式實現[7]，在密碼學中屬于加密算法保密的方式，登錄時含有驗證碼，頁面間跳轉有session和隨機串的驗證，保證唯一性和安全性，數據查詢時提供特殊查詢和折線圖顯示。

3.3.4網站客戶端界面設計及主流程

界面使用BootStrap+JQuery+HTML開發，首先進入登錄頁面，輸入用戶ID、密碼、驗證碼進入管理后臺，由于權限不同，每個用戶能夠看到的功能頁面也不同，最高權限用戶可以添加用戶、添加設備、修改密碼、查看獲取數據和特殊查詢。點擊pH數據記錄可以看到數據的折線圖顯示，利用特殊查詢功能，可以獲取到每個用戶發送的數據條數，以及最近一周發送數據最多的用戶等數據。插入記錄功能是開放給Android客戶端的接口，不能直接使用。后臺數據庫由3張表和1張視圖組成，只要接口使用正確，也可以管理其他數值類型的數據(如溫度、濕度等)，為以后的功能拓展留下空間。

4系統評測與結論

利用本系統在Android客戶端進行相關pH測定等相關功能測試。在Android客戶端進行時間校正、睡眠模式開關、傳感器開關、測量間隔設置，底層模塊能快速響應。報警閾值設置后打開報警開關，在超出閾值時能收到以2 s為間隔的持續警告，可以手動關閉警報或重新設置報警閾值。圖3為Android客戶端pH測量界面。

圖3　Android客戶端測試

用內存查看工具打開Flash，測量數據按照固定格式存儲在Sector4以0x0801 0000為開始地址的64 KB空間內。客戶端能夠提取實時數據并且正確顯示。選擇提取歷史數據的條數后，歷史數據可以以折線圖的形式直觀體現pH變化。

當采集到一定數量的pH值后，可以將數據保存到云端，方便記錄和分析pH值的變化范圍和趨勢。將數據上傳到云端后，網頁pH值折線圖如圖4所示。網站數據庫中提取的部分數據見表2。

表2　測試數據

由于環境和電路等原因，pH值是不斷變化的，于是我們添加了對細小擾動的判斷，只有pH數值真正發生變化時才會顯示。經過測試，系統能對命令作出正確響應，反應時間在理想范圍之內，能順利完成pH值遠程測定的任務。

圖4　pH數據折線圖

隨著嵌入式系統硬件和無線通信技術的不斷發展，結合這兩者的遠程測控系統將是未來的潮流。pH值遠程測定系統還需進行下一步的研究，之后的研究方向是pH傳感器組網和數據壓縮和加密。

參考文獻

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沈彬、陳亦琦(本科生)，主要研究方向為物聯網工程；施慧彬(副教授)，主要研究方向為計算機體系結構、嵌入式系統等。

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[5] 劉火良,楊森.STM32庫開發實戰指南[M].北京:機械工業出版社,2013:394-426.

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[7] 范賢學,金興華.數據中心網絡結構設計[J].指揮信息系統與技術,2014,5(3):64-69.

王夢瀟、李璐(助理工程師)，研究方向為嵌入式開發與系統集成。

Research on Remote Measurement Method of pH Value in Water

Shen Bin,Chen Yiqi,Shi Huibin

(College of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Nanjing 211106,China)

Abstract：An intelligent detection device is designed using the pH electrode sensor and the STM32F411RE control module.The device can measure the pH value in the water directly,and then sends the data to the monitoring platform through the communication module.The monitoring platform is responsible for the data storage,the data analysis and can show a better human-machine interaction interface.Also,it can access to the automatic alarming device to provide warning when the pH value is abnormal,so as to prevent the damage to the subsequent processes of the industrial control and food processing.

Key words:pH value;sensor;STM32F411RE;remote control

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-09-26) (責任編輯：薛士然2015-09-06)

中圖分類號:TP277

文獻標識碼:A