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摘要：ZigBee由于具有低功耗、低成本、短時(shí)延、高安全和自組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各種工作領(lǐng)域。本文設(shè)置CC2530為通信芯片，STMF103為主控芯片作為系統(tǒng)的硬件電路和軟件部分，將電導(dǎo)率模塊、pH模塊和DS18B20溫度模塊的信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，利用ZigBee自組網(wǎng)可以在上位機(jī)上讀取水域不同位置的水體信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文制作的水質(zhì)監(jiān)控具有低功耗、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；水質(zhì)監(jiān)控；自組網(wǎng)

Abstract: ZigBee is widely used in various fields due to its advantages such as low power consumption, low cost, short time delay, high security and AD hoc network. In this paper, CC2530 is used as the communication chip and STMF103 as the main control chip as the hardware circuit and software part of the system. The information of conductivity module, pH module and DS18B20 temperature module is transmitted to the upper computer, and ZigBee AD hoc network can be used to read the information of water bodies at different positions in a sea area on the upper computer. The experimental results show that the water quality monitoring produced in this paper has the advantages of low power consumption and high real-time performance.

Key words: ZigBee; Water quality monitoring; Ad-hoc network

1　引言

對于較大水域其不同區(qū)域的溫度、pH和電導(dǎo)率等會存在差異，為了得到水體的綜合信息，因此需要機(jī)器來對水體各個(gè)區(qū)域的水質(zhì)信息進(jìn)行采集和上傳。對于室外水產(chǎn)的養(yǎng)殖，環(huán)境復(fù)雜多變，設(shè)備需要長時(shí)間在水中工作，這要求設(shè)備要具有較高的續(xù)航能力。同時(shí)為了確保水體信息的實(shí)時(shí)性，往往需要多個(gè)機(jī)器協(xié)同工作[1、2]。為了解決設(shè)備的續(xù)航里程和成本高等問題，本文以ZigBee作為無線通信技術(shù)，以STM32為主控芯片，將電導(dǎo)率模塊、pH模塊和DS18B20溫度模塊采集的水質(zhì)信息傳輸?shù)浇K端，利用ZigBee自組網(wǎng)可以在上位機(jī)上讀取到一片海域不同位置的水體信息[3、4]。

2　硬件設(shè)計(jì)

為了檢測和上傳水域的pH、溫度和電導(dǎo)率，采用雷磁pH復(fù)合電極E-201-C作為pH計(jì)，再通過4502AC將信號放大，把pH值轉(zhuǎn)化為模擬電壓傳給單片機(jī)。溫度檢測采用DS18B20不銹鋼封裝模塊。電導(dǎo)率檢測使用的是量程為0到44000μs/cm的EC變送器。ZigBee采用DL-LN32P模塊，該模塊內(nèi)部封裝了通訊協(xié)議，單片機(jī)只需通過串口發(fā)送就可以使其把數(shù)據(jù)發(fā)生出去。

STM32F103ZET6作為MCU，對各個(gè)模塊的信息進(jìn)行讀取，并且通過ZigBee把數(shù)據(jù)發(fā)生出去。

圖1 硬件組成部分

2.1　求解pH的線性方程

液體的pH值取決于液體中氫離子的濃度，通過測量電極系統(tǒng)被測液構(gòu)成的測量電池的電動勢，可得到被測液體氫離子活度。從傳感器電極系統(tǒng)中獲得的電壓信號與氫離子的活度有對應(yīng)關(guān)系。依據(jù)能斯特方程，電極反應(yīng)中物質(zhì)從一相轉(zhuǎn)移到另一相時(shí)需要消耗能量[5]，其表達(dá)式表示為：

E=E0-S×pH （1）

其中S=RT/nF=54.20+0.1984×t為理論斜率項(xiàng)；氣體常數(shù)R=8.14焦耳/摩×克分子；法拉第常數(shù)F=96500庫/摩；N為離子化合價(jià)，對于氫離子n=1；T=273.15；t為檢測的被測液體的攝氏溫度，E0為等電勢點(diǎn)的點(diǎn)位，E即為傳感器電極在被測液體作用下的輸出電位。

由于玻璃電極的制作工藝等原因，式（1）中的E0和S的實(shí)際值會發(fā)生改變，需要通過已知標(biāo)準(zhǔn)液對上述參數(shù)進(jìn)行測定。常用的標(biāo)準(zhǔn)液為苯二甲酸氫鉀（pH=4.01）、硼砂（pH=9.18）和混合磷酸鹽（pH=6.86），根據(jù)被測液體的酸堿度，適當(dāng)?shù)剡x擇兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液。當(dāng)被測液體呈酸性時(shí)，選擇pH=4.01和pH6.86的標(biāo)準(zhǔn)溶液校正；當(dāng)被測液體呈堿性時(shí)，選擇pH=6.86和pH=9.18的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行校正；當(dāng)被測液體pH使用范圍較大時(shí)或者不確定時(shí)，可以選擇pH=4.01和pH=9.18的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行校正[6、7]。雷磁pH復(fù)合電極E-201-C的具體校正方法如下：

將電極放入混合磷酸鹽（pH=6.86）溶液中，用電壓表測試模擬輸出電壓，調(diào)節(jié)運(yùn)放板上的電位器使得輸出電壓為1.7V。再將電極用蒸餾水清洗干凈并且玻璃電極上無水滴后放入苯二甲酸氫鉀（pH=4.01）標(biāo)準(zhǔn)溶液中，記錄輸出電壓。重復(fù)上面步驟，得出硼砂（pH=9.18）標(biāo)準(zhǔn)溶液的輸出電壓。由式（1）可知模擬電壓U與pH為線性關(guān)系，可以設(shè)線性方程為：

pH=a×U+b （2）

把得到的數(shù)據(jù)帶入到，可得到pH與雷磁pH復(fù)合電極E-201-C模塊的輸出電壓關(guān)系。

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件部分分為DS18B20溫度數(shù)據(jù)的讀取、pH模塊和電導(dǎo)率模塊的AD采樣和轉(zhuǎn)換、ZigBee數(shù)據(jù)發(fā)送、上位機(jī)讀取ZigBee數(shù)據(jù)等幾大模塊，圖2為軟件設(shè)計(jì)總體流程。在完成所有的初始化工作后，需要先讀取DS18B20的數(shù)據(jù)，由于DS18B20的讀取時(shí)間需要大于50ms，所以讀取數(shù)據(jù)的頻率不宜過高。為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，設(shè)置了每200ms讀取一次數(shù)據(jù)，共讀取5次并取平均值作為最終數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)顯示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.1　pH模塊和電導(dǎo)率模塊

pH模塊和電導(dǎo)率模塊輸出的都是模擬電壓，需要通過STM32的ADC將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，讀取到的數(shù)據(jù)為0~4096范圍。pH模塊需要軟件把ADC的數(shù)值歸一化到0~3.3V后作為電壓帶入到式（2）中。由于電導(dǎo)率模塊輸出模擬電壓與電導(dǎo)率成正比，所以只需要將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值歸一到0~44ms/cm即可[8]。但是由于式（2）中的參數(shù)a和b均受溫度影響，所以最終得到的pH值需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，由式（2）可知，最終溫度補(bǔ)償后的pH需要乘以T0/T（T0為尋找方程時(shí)液體溫度，T為當(dāng)前液體溫度）。

3.2　ZigBee模塊

DL-LN23P ZigBee模塊內(nèi)部集成了通信協(xié)議，所以通過串口向其發(fā)送數(shù)據(jù)包即可。軟件上通過主控芯片的USART1外設(shè)對ZigBee進(jìn)行通信，為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確，設(shè)置USAR1的中斷優(yōu)先級為0。需要上位機(jī)發(fā)送FE
05 90 90 XX XX FF（XX XX為目的設(shè)備地址）來得到某個(gè)ZigBee設(shè)備的信息[9、10]。

3.3　基于C#編寫的上位機(jī)

上位機(jī)作用時(shí)對串口數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并且顯示。圖3為上位機(jī)初始界面。開始時(shí)選擇好串口和波特率，在發(fā)送按鈕左邊的方框內(nèi)輸入FE 05 90 90 03 00 00 FF，自動采樣周期選擇1000ms。電導(dǎo)率、pH和溫度的右方分布有兩個(gè)小方框，上面和下面的分別為最大和最小值，大于最大值或小于最小值上位機(jī)都會報(bào)警。按下自動采樣后，上位機(jī)會自動繪制圖表。

圖3 上位機(jī)初始界面

4　系統(tǒng)測試

系統(tǒng)基于ZigBee對水質(zhì)信息（電導(dǎo)率、pH和水溫）進(jìn)行傳輸，為了檢測pH和水溫的準(zhǔn)確，需要與電子pH計(jì)進(jìn)行對比。本文搭建了ZigBee水質(zhì)系統(tǒng)測試平臺，對制作完成的基于ZigBee通信的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件調(diào)試。

將地址為0001的ZigBee模塊通過USB轉(zhuǎn)串口模塊接入電腦，打開上位機(jī)，設(shè)置好具體參數(shù)然后點(diǎn)擊自動采樣。如圖4所示為酸性條件下上位機(jī)實(shí)時(shí)曲線，表1為酸性條件下上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)。通過STM32單片機(jī)的定時(shí)器計(jì)數(shù)延時(shí)約為50ms，將報(bào)警參數(shù)設(shè)置在接受到的數(shù)據(jù)之上或之下，觀察旁邊是否有小感嘆號顯示以及警報(bào)聲發(fā)出。由于數(shù)據(jù)是先壓縮為0~255區(qū)間范圍內(nèi)，再由上位機(jī)解碼，所以數(shù)據(jù)會與下位機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)有偏差，誤差精度為0.01。

圖4 酸性條件下上位機(jī)實(shí)時(shí)曲線

表1 酸性條件下上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)

5　小結(jié)

本文搭建了ZigBee水質(zhì)檢測測試平臺，對水質(zhì)檢測和通過ZigBee模塊與上位機(jī)通信進(jìn)行了軟硬件的試驗(yàn)，并用電子pH計(jì)進(jìn)行對比以及在上位機(jī)中顯示，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的硬件和軟件部分均能正常穩(wěn)定工作。同時(shí)通過測試不同溫度和pH等的液體來和電子pH計(jì)進(jìn)行對比和在上位機(jī)中顯示，并且顯示延時(shí)在300ms以內(nèi)，證明了該基于ZigBee通信的水質(zhì)檢測系統(tǒng)的可行性、短延時(shí)和可靠性。

基金項(xiàng)目：廣東海洋大學(xué)“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”項(xiàng)目（Q14580）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（CXXL2019262; CXXL2019268）

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作者簡介：

林　聰（1988-），男，廣東湛江人，講師，現(xiàn)任教于廣東海洋大學(xué)，研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c智能自動化。

于　躍（1991-），女，吉林通化人，講師，現(xiàn)任教于廣東海洋大學(xué)，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、智能
控制技術(shù)。

盧葉楓（1997-），男，廣東懷集人，現(xiàn)就讀于廣東海洋大學(xué)，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)。

肖賢哲（1999-），女，廣東廣州人，現(xiàn)就讀于廣東海洋大學(xué)，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)。

摘自《自動化博覽》2020年1月刊