基于光纖傳感器的高精度濁度遠程監(jiān)測系統(tǒng)

施展 宋琦 李燾任 唐建凱

摘 要：本文基于濁度測量發(fā)展趨勢，設(shè)計了一種基于光纖傳感器的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了濁度的遠程監(jiān)測和實時預警控制功能。為在濁度測量中提高靈敏度和精度抗干擾能力，本系統(tǒng)選擇了薄型模擬光纖傳感器FX-11A，基于比爾朗伯定律，通過實驗研究其傳感特性，優(yōu)化得到了高精度的測量曲線。該系統(tǒng)選用STM32系列單片機為微控制器，以無線通信模塊LAN8702A將測量結(jié)果通過以太網(wǎng)發(fā)送給上位機，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)測和控制，符合濁度遠程監(jiān)測的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器;濁度;遠程監(jiān)測

本系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)處理端和遠程監(jiān)測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集端包括光纖傳感器和溫度傳感器;數(shù)據(jù)處理端包括分壓器、跟隨器、電源轉(zhuǎn)換等模擬電路和STM32F407微控制器;遠程監(jiān)測系統(tǒng)部分則包括LAN8702A通信模塊、路由器和上位機。

數(shù)據(jù)采集端負責在現(xiàn)場采集液體濁度的信息。光纖傳感器具有重量輕、體積小、靈敏度高、抗電磁干擾、易于重復使用等優(yōu)點，廣泛應用于土木工程、生物醫(yī)學、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域。在實驗中，我們選擇集成了模擬電壓輸出的FX-11A薄型模擬光纖傳感器。FX-11A有兩組光纖，一組用于發(fā)光，另一組用于接收濁度體吸收后的衰減光，如圖1所示。傳感器接收到衰減光后，輸出相應的模擬電壓。光纖傳感器具有1～5v的模擬電壓輸出，將其經(jīng)過分壓電路進行線性壓縮，轉(zhuǎn)換為3.3V內(nèi)的模擬電壓供STM32F407微控制器采集。

STM32F4系列是由意法半導體開發(fā)的一種Cortext-M4內(nèi)核的高性能微控制器，它的低成本、低功耗性能使其在數(shù)字信號控制領(lǐng)域得到廣泛的應用。它具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以通過外圍模塊與以太網(wǎng)通信，因此我們選擇STM32F407作為檢測系統(tǒng)的核心。

根據(jù)比爾朗伯定律，入射光經(jīng)過混濁液體后，透射光強度會得到一定程度的衰減，其衰減程度與液體濁度呈指數(shù)關(guān)系。在實驗中我們使用福爾馬肼標準溶液配置4000濁度單位范圍內(nèi)的多組樣本溶液進行測量，并使用MATLAB對數(shù)據(jù)進行擬合。經(jīng)過多次校準、修正后，得到了較為良好的擬合結(jié)果。微控制器將采集到的模擬信號通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后根據(jù)擬合結(jié)果，對數(shù)字信號進行運算處理，就可以得到濁度值的測量結(jié)果。經(jīng)驗證，其在200～2000濁度單位內(nèi)可以對濁度進行精準測量。

從實驗中我們得出結(jié)論，對于低濃度渾濁液體（小于200NTU），微控制器接收到的模擬電壓值接近峰值，這是因為光線通過低濃度混濁液體后衰減程度極小，無法準確測量它們之間的差異。在后續(xù)的實驗中，可以考慮增加樣品濁度瓶的寬度（增加光的衰減距離）來解決這個問題。對于高濃度渾濁液體（大于2000NTU），光纖傳感器的透過率較低，處理器的ADC精度不足以辨別他們之間的差異，可以通過光纖傳感器的螺旋按鈕調(diào)節(jié)其靈敏度，或者考慮通過減小光的衰減距離來解決這個問題。

實現(xiàn)遠程監(jiān)控和預警功能的監(jiān)測系統(tǒng)硬件連接如圖2所示。其中LAN8720A是一款低功耗以太網(wǎng)物理層芯片，在遠程監(jiān)測系統(tǒng)中，我們將LAN8702A芯片作為STM32F407微控制器的外設(shè)芯片，它相當于TCP/IP協(xié)議的物理層，而STM32F407的MAC層相當于數(shù)據(jù)鏈路層，小型嵌入式TCP/IP協(xié)議則提供網(wǎng)絡層和傳輸層的功能。該以太網(wǎng)通信系統(tǒng)測量到的濁度數(shù)值以標簽的形式傳遞給Web服務器，就可以作為應用層實時顯示數(shù)據(jù)。

當程序加載到STM32F407微控制器中后，會初始化各種相關(guān)硬件和LWIP，然后LWIP初始化LAN8720A，請求內(nèi)存分配，打開動態(tài)主機配置協(xié)議服務，打開網(wǎng)絡接口卡。當DHCP成功獲取IP時，Web服務器服務將啟動。將STM32F407與路由器連接，并將路由器靜態(tài)IP中的首選DNS設(shè)置為STM32F407的IP地址，以便計算機、手機和其他電子設(shè)備可以傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時監(jiān)控。設(shè)備在連接到系統(tǒng)所發(fā)出的Wi-Fi后，只需要在瀏覽器上輸入開發(fā)板的IP地址，用戶就可以進入監(jiān)測界面。如圖3所示，我們制作了一個網(wǎng)頁來顯示這些數(shù)據(jù)。

監(jiān)測系統(tǒng)在許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，本系統(tǒng)利用STM32微控制器高性能、低功耗和低成本的特點， 結(jié)合光纖傳感器的傳感特性， 構(gòu)建了所需的遠程監(jiān)測系統(tǒng)。STM32F407微控制器的使用有效簡化了硬件設(shè)計及其開發(fā)環(huán)境，方便了系統(tǒng)編程。遠程數(shù)據(jù)傳輸部分充分利用了以太網(wǎng)帶寬大、可擴展性強、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的特點。通過實驗驗證， 該系統(tǒng)可以實時在線監(jiān)測200～2000濁度范圍內(nèi)的濁度值，具有測試精度高、實時性好、速度快等優(yōu)點， 滿足濁度遠程監(jiān)測系統(tǒng)的需要。在后續(xù)的研究中，該系統(tǒng)可以結(jié)合多點分布式監(jiān)測的發(fā)展趨勢，形成大范圍的監(jiān)測網(wǎng)絡，并且通過數(shù)據(jù)的存儲和可視化分析，為濁度監(jiān)測提供更好的方案。

參考文獻

[1]吳剛.光纖濁度傳感器的研究與設(shè)計[D].中國計量學院，2014.

[2]嵇康，張杰，夏建平，林茂寬，李兵強.基于STM32F103的遠程監(jiān)測儀器系統(tǒng)設(shè)計與應用[J].信息與電腦（理論版），2016（13）：115—116.