一種水處理設(shè)備臭氧濃度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫鵬（通信作者），唐永鑫，邵振興

山東威高宏瑞醫(yī)學(xué)科技有限公司（山東威海 264200）

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2019年，我國有超過300萬的尿毒癥患者，其中71萬已接受血液透析治療，并預(yù)計(jì)到2030年，我國接受血液透析治療的患者數(shù)將突破400萬[1]。血液透析作為現(xiàn)階段臨床治療腎衰竭、尿毒癥患者最可靠、最有效的方法，其治療效果直接決定著患者的身體健康和生命質(zhì)量。而在血液透析治療過程中，透析用水的質(zhì)量尤為重要，其直接影響透析治療的效果，因此，做好對透析用水的日常消毒工作尤為重要。

在信息化時(shí)代背景下，智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控在不同行業(yè)領(lǐng)域中的重要性不斷顯現(xiàn)。本研究設(shè)計(jì)了一種水處理設(shè)備臭氧濃度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其可將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與水處理設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息交流及對水處理設(shè)備的智能化監(jiān)控和管理，使操作人員可以隨時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行情況，安全、及時(shí)地處理潛在的風(fēng)險(xiǎn)，全面提升水處理設(shè)備的綜合性能。

1 系統(tǒng)組成

本研究設(shè)計(jì)的水處理設(shè)備臭氧濃度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)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級過濾器、樹脂軟水器、活性炭過濾器、反滲透裝置及管道和存儲水箱。消毒部分采用的是臭氧消毒的方式，臭氧比一般含氯消毒劑更容易作用到生物膜，具有快捷、高效、穩(wěn)定、無二次污染等特點(diǎn)；臭氧殺菌是利用氧原子的氧化作用，破壞生物膜的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)殺菌的效果，其殺菌速度快，適用于不銹鋼或聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）管路，對于含有0.2～0.5 mg/L 臭氧濃度的純水，一般可在10 min 內(nèi)殺死細(xì)菌和病毒，而在更高的濃度和更長的作用時(shí)間下，可清除內(nèi)毒素[2]；但是，含有臭氧的水對人體有害，我們可通過紫外線照射或加熱到30 ℃以上的方法消除水中的殘余臭氧，本設(shè)計(jì)提供了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控水處理設(shè)備臭氧濃度的方法，通過采用加熱的方式消除多余的臭氧，可防止操作人員受到臭氧的傷害?？刂撇糠种饕ìF(xiàn)場傳感器及控制器等裝置，工程師可以隨時(shí)遠(yuǎn)程訪問現(xiàn)場設(shè)備，監(jiān)控水處理設(shè)備的運(yùn)行情況，了解制水及臭氧消毒過程，并對相關(guān)的泵與閥門進(jìn)行啟停等操作；該系統(tǒng)具備的報(bào)警短信功能可以將臭氧的濃度信息和設(shè)備故障信息隨時(shí)發(fā)給工程師，避免故障處理時(shí)間上的延誤。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件組成包括現(xiàn)場設(shè)備端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分（圖1）。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由臭氧濃度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及電源電路、通信接口等外圍電路構(gòu)成，用于收集現(xiàn)場的臭氧濃度，以及將模擬量狀態(tài)信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基于通用分組無線服務(wù)（general packet radio service，GPRS）和WIFI 技術(shù)設(shè)計(jì)，用于控制系統(tǒng)與客戶終端的信息交互，其中GPRS 網(wǎng)絡(luò)基于通信運(yùn)營商的基站運(yùn)行，信號覆蓋范圍極大；WIFI 模塊的數(shù)據(jù)傳輸速率快，實(shí)時(shí)性好，可支持復(fù)雜的信號交互；系統(tǒng)的輸入節(jié)點(diǎn)用于對接傳感器等檢測裝置，輸出節(jié)點(diǎn)則可輸出高速數(shù)字量、模擬量等控制信號，對接泵及閥門等執(zhí)行裝置?？刂葡到y(tǒng)分為現(xiàn)場控制與客戶端控制兩部分，其中現(xiàn)場控制在先進(jìn)精簡指令集計(jì)算機(jī)裝置（advanced RISC machines，ARM）的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，集成Linux 系統(tǒng)，具有代碼質(zhì)量高、支持硬件和通信協(xié)議范圍廣等特點(diǎn)；客戶端控制基于VB6.0圖形界面設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)的硬件組成

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

臭氧濃度傳感器選擇煒盛公司的MQ131模塊，用二氧化錫作氣敏元件，產(chǎn)品的電導(dǎo)率和空氣中的臭氧濃度成正相關(guān)。該傳感器供電電壓是5 V，由于其自身的輸出電壓只有20 mV，因此輸出端需要接電壓放大器，本設(shè)計(jì)選擇LM224A 運(yùn)算放大器，放大倍數(shù)是100倍。臭氧濃度傳感器的部分電路設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 臭氧濃度傳感器的部分電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將AD7190作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其是零延遲、具有高分辨力且多路復(fù)用的24位Σ-Δ 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器[3]，因?yàn)榭刂破鞑捎?.3 V 電源，所以數(shù)字電源也采用3.3 V 電源供電；片內(nèi)集成可直接用的4.92 MHz 時(shí)鐘，無需額外的晶振，AD7190功耗為4.35 mA。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用性價(jià)比較高的嵌入式系統(tǒng)為核心，通過WIFI 和GPRS 技術(shù)連接現(xiàn)場設(shè)備和遠(yuǎn)程用戶端，成本低，時(shí)效性強(qiáng)，且能更好地利用5G 技術(shù)的優(yōu)勢。

GPRS 以封包的形式傳輸數(shù)據(jù)，信道資源利用率高、數(shù)據(jù)傳輸速率快，屬于第二代移動通信中的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。本設(shè)計(jì)將SMIMCOM 公司的SIM-100作為GPRS 通信模塊，集成了完整的射頻電路和全球移動通信系統(tǒng)（global system of mobile communication，GSM）的基帶處理器，屬于GSM/GPRS 雙頻模塊，主要為語音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口，可以將設(shè)備的狀態(tài)以信息的方式實(shí)時(shí)發(fā)送給手機(jī)終端[4]。該模塊需兩路電源：4.2 V 為音頻電路供電；3.0 V 為VDD_EVT 引腳供電，保證模塊與外部電路接口的電平匹配。SIM-100電源的電路設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 SIM-100電源的電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將海凌科的HLKM30作為WIFI 通信模塊，可以支持802.11n、g 和b 3種無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，有14個(gè)通信信道，天線式傳輸速度可達(dá)300 m 的距離，在一般的工業(yè)現(xiàn)場都可以滿足要求；模塊內(nèi)嵌傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP），支持全雙工通信模式，實(shí)時(shí)性好，當(dāng)提高微控制單元（microcontroller unit，MCU）和WIFI 模塊之間的時(shí)鐘頻率時(shí)，即可增加數(shù)據(jù)發(fā)送和接受的速度[5]。HLKM30的接線電路見圖4。

圖4 HLKM30的接線電路

2.3 控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)將三星公司的S3C2440A 芯片作為控制芯片，其基于ARM920T 核心，具有獨(dú)立的16 kB 指令高速緩存和16 kB 數(shù)據(jù)高速緩存，最高工作頻率可達(dá)400 MHz[6]；集成的外設(shè)包括內(nèi)部8通道10位AD、130個(gè)通用IO 口、LCD 控制器、SPI 接口、IIS 接口、USB 接口、以太網(wǎng)接口及脈寬調(diào)制等，同時(shí)可支持60個(gè)中斷，并支持WinCE、Linux 等操作系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)將德州儀器公司的TLC5615C 作為D/A 轉(zhuǎn)換芯片，ARM 的數(shù)字量信號通過其可轉(zhuǎn)化為模擬量信號，用于控制可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）的IO點(diǎn)或繼電器，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制；其是3線串口型D/A 芯片，輸出5 V 電壓，上電時(shí)內(nèi)部自動復(fù)位，功耗為1.75 mW，轉(zhuǎn)換速率為1.21 MHz。信號驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)見圖5。

圖5 信號驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

另外，本設(shè)計(jì)在ARM 上安裝Linux 操作系統(tǒng)，并對傳感器采集程序、GPRS 通信程序、WIFI 通信程序、報(bào)警程序和存儲等程序模塊的任務(wù)函數(shù)進(jìn)行編寫，且Linux 操作系統(tǒng)可調(diào)度全部任務(wù)函數(shù)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 Linux 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

Linux 是一種免費(fèi)的、支持多任務(wù)及多線程的操作系統(tǒng)，硬件設(shè)備的各種信息通過該系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成文件的形式，只需對該文件進(jìn)行操作即可操作對應(yīng)的設(shè)備。開發(fā)過程如下：下載免費(fèi)開源的Linux 內(nèi)核源代碼Linux-2.6.39.4；通過編譯器修改根目錄下“Makefile”文件配置內(nèi)核，被設(shè)計(jì)使用makemenuconfig 方式。其特點(diǎn)是采用文本模式的圖形用界面，操作性較好；將編譯好的內(nèi)核映像zImage 燒寫到開發(fā)板。

3.2 GPRS 的軟件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中GPRS 模塊通過UART1串口與ARM處理器進(jìn)行通信，通過AT 指令操作該模塊。首先進(jìn)行串口的初始化：調(diào)用tcgetattr 函數(shù)讀取終端的串口設(shè)置參數(shù)，并將該設(shè)置信息交給termios 存儲；再調(diào)用tcsetattr 函數(shù)重新設(shè)置串口屬性，如波特率等信息，完成串口初始化任務(wù)。部分程序如下：

由于AT 指令是以二進(jìn)制格式編寫，日常手機(jī)收發(fā)的短信則是采用PDU 模式編寫，因此兩者之間必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換[7]，即當(dāng)發(fā)送信息時(shí)，需要將文本信息轉(zhuǎn)換成Unicode 碼，再轉(zhuǎn)換成PDU 的16bit 編碼，GPRS 模塊通過PDU 模式發(fā)送和接收短消息。部分程序如下：

3.3 WIFI 的軟件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用手機(jī)/電腦等通過WIFI 無線網(wǎng)絡(luò)與控制器通信，采用傳統(tǒng)C/S 結(jié)構(gòu)，建立基于TCP協(xié)議Socket 連接，控制器能夠接收客戶終端的指令并執(zhí)行。

本設(shè)計(jì)采用基于TCP 協(xié)議的流式Socket 通信類型，其實(shí)際上是一種“open-write/read-close”的工作模式，有許多函數(shù)或例程可以直接用來開發(fā)，其中，函數(shù)調(diào)用Socket（）用來建立連接和傳輸數(shù)據(jù)。部分程序如下：

4 系統(tǒng)的應(yīng)用效果

GPRS 的主要功能是實(shí)時(shí)傳輸報(bào)警信息，加之SIM-100模塊的VDD_EVT 引腳有3.0 V 的模擬量信號，當(dāng)S3C2440A 感應(yīng)到臭氧濃度超標(biāo)時(shí)，該系統(tǒng)即可將報(bào)警短信發(fā)送給指定號碼的手機(jī)終端。經(jīng)試驗(yàn)，該方案滿足設(shè)計(jì)要求。

WIFI 的主要功能是實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)性較好，克服了物理?xiàng)l件的制約。工程師可通過手機(jī)或電腦連接水處理設(shè)備的S3C2440A控制器，當(dāng)手持客戶端對設(shè)備的臭氧發(fā)生器和消除臭氧的加熱器進(jìn)行啟動/停止操作時(shí)，TLC5615C模塊將數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行所需的模擬量信號，從而完成系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。經(jīng)試驗(yàn)，該方案滿足設(shè)計(jì)要求。

另外，在使用MQ131傳感器前應(yīng)對其進(jìn)行檢驗(yàn)校正流程，因?yàn)樵搨鞲衅鏖L期工作在具有一定腐蝕性的環(huán)境中，在使用中需要定期進(jìn)行校正，如必要，可通過軟件方式對信號進(jìn)行濾波等處理，以提高數(shù)據(jù)的精度。

5 小結(jié)

隨著高質(zhì)量血液透析需求的不斷增加，廣大患者對水處理設(shè)備的產(chǎn)水純度要求越來越高，臭氧消毒等新型、高效的消毒方式亦受到越來越多的重視。為了在做好消毒工作的同時(shí)保護(hù)人員和環(huán)境的安全，本設(shè)計(jì)提出的臭氧濃度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)有一定的實(shí)踐意義，不僅實(shí)現(xiàn)了對臭氧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，而且通過遠(yuǎn)程的方式實(shí)現(xiàn)了對該系統(tǒng)的監(jiān)控，避免操作人員受到臭氧的傷害，若在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加其他的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)控傳感器，則可能實(shí)現(xiàn)更豐富的功能，為水質(zhì)滿足透析用水的要求提供進(jìn)一步的保障。