基于ZigBee的水质pH值在线监测系统

赵小强， 冯 勋

(西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

基于ZigBee的水质pH值在线监测系统

赵小强， 冯 勋

(西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

为了提高在水质pH值监测中的实时性与测量精度，设计一种基于ZigBee的水质pH值在线监测系统。该系统由数据采集节点、数据汇聚节点与监测中心计算机构成,其中数据采集节点采用STM32微处理器进行实时数据采集，并使用CC2530无线射频芯片将采集到的水质数据通过ZigBee网络转发至数据汇聚节点，数据汇聚节点负责将水质数据通过串口实时传输至监测中心计算机。系统采用二维回归方程对水质数据进行融合处理，以减小温度对pH值测量精度的影响。测量数据对比性实验结果显示，系统具有较好的实时性和测量精度，能够满足水质pH值监测需要。

pH值;ZigBee;STM32;温度补偿

pH值监测是水质监测中的重要组成部分，传统的水质pH监测系统主要采用了现场总线与串行总线等有线通信技术，在实际pH值现场测量中，由于监测系统长期安装于潮湿环境中，采用有线通信技术的监测系统存在安装维护困难、信息传输可靠性低等问题[1]。此外，由于pH传感器的特性，通常温度对测量结果影响较大，且输出信号范围较小，为克服温度影响，目前普遍采用的补偿方法主要有硬件补偿法与两点校准法，但是由于硬件补偿法中硬件电路自身存在精度不高、噪声较大的问题，以及两点校准法中标定模型对测量精度的限制，均导致实际应用中pH值测量精度仍然较低[2-4]。

本文拟根据成熟的ZigBee技术[5-6]，考虑温度对pH传感器的影响，设计一种基于ZigBee的水质pH值在线监测系统。该系统以STM32微控制器与无线射频芯片为核心，实现了在无线传感网络中水质pH值信息、温度信息的实时采集和误差修正。

1 系统总体设计

水质pH值在线监测系统的总体结构框图如图1所示。一般按照需要布置多个数据采集节点，每个采集节点定时采集水质pH值传感器与温度传感器的数据，并将采集到的数据按通信协议封装后通过ZigBee网络发送至汇聚节点；汇聚节点将整个ZigBee网络采集的数据通过串口实时传输至监测中心计算机，经过误差修正处理后显示。

图1 系统结构

2 系统硬件设计

系统数据采集节点主要由主控制器、无线传输模块、温度传感器、pH复合电极及其测量电路4部分组成，硬件结构框图如图2所示。

图2 数据采集节点硬件

系统主控制器选用STM32F103VET6芯片，该芯片是基于ARM Cortex-M3内核的32位微处理器，工作频率为72 MHz，具有512KB FLASH与64 KB SRAM，并且片上集成有8个定时器、3个12位分辨率的模数转换器、5个多功能串口与80个IO口，能够满足pH值在线监测系统的设计及后期扩展要求[7]。

2.1 pH值测量电路

pH传感器采用上海雷磁公司的E-201-C型pH复合电极，该传感器由钠玻璃吹制成的敏感薄膜构成信号电极，由银-氧化银构成参比电极，能够通过测量参比电极与信号电极两端的电压获得溶液中氢离子活度。当被测溶液pH值由1变化到14时，pH复合电极的输出电压从正值变化到负值，并且由于pH复合电极自身内阻较高(108～1010Ω)，输出信号电压变化幅度较小，因此需要对pH复合电极的输出信号进行平移、放大处理，将输出信号范围转换到0～3.3 V以内，以符合A/D模数转换电路要求。使用电阻分压电路抬高pH复合电极输出电压实现信号平移，为保证pH复合电极输出信号的准确性，采用TL431A精密稳压源进行稳压。放大电路采用TI公司的自校准精密双路运算放大器TLC4502芯片，该芯片支持2路放大器，并且具有自校准输入失调电压、低输入失调电压温漂及轨至轨输出的特点。pH复合电极输出的mV级信号输入TLC4502芯片，经过平移、放大后进入A/D模数转换器。pH值测量电路如图3所示。

图3 pH值测量电路

2.2 温度采集电路

温度采集电路采用单总线结构的温度传感器DS18B20采集温度数据，该传感器测量温度范围为-55～125℃，精度为±0.5℃，只需要将DS18B20的DQ端与STM32微控制器的I/O口相连即可编程读取温度数据。测量温度数据主要用来对pH传感器进行温度补偿。

2.3 ZigBee通信电路

ZigBee通信芯片选用TI公司的CC2530，该芯片是一个支持ZigBee应用的片上系统，芯片内部集成了增强型的8051内核与RF收发器，使用TI公司提供的ZigBee协议栈(Z-Stack)可以方便的组建ZigBee网络。本系统数据采集节点中CC2530被编程为ZigBee路由节点来采集、传输水质信息，CC2530与STM32微处理器通过串口进行通信，即将CC2530的P0.2、P0.3接口与STM32的PA9、PA10接口相连，CC2530通信电路如图4所示。

图4 STM32与CC2530连接

串口通信波特率为9600 bps，数据位8位，无奇偶校验位，停止位1位。通信协议由帧头、编号、源地址、设备类型、温度数据、pH数据、帧尾7部分组成，如表1所示。

表1 CC2530与STM32通信协议

其中帧头1个字节，固定为0XA5，表示一帧数据的开始；编号2个字节，记录数据包编号；源地址2个字节，表示数据来源，取ZigBee终端设备自身MAC地址的低2个字节作为设备地址；设备类型1个字节，0X1A代表协调器，0X1B代表路由器，0X1C代表终端节点；温度数据2个字节，记录温度传感器的输出数据；pH数据2个字节，记录pH传感器输出信号的A/D模数转换值；帧尾1个字节，固定为0X5A，表示1帧数据结束。

3 系统软件设计

CC2530通信模块程序使用IAR开发环境开发，CC2530在数据采集节点中被编程为ZigBee网络路由节点，在数据汇聚节点中被编程为ZigBee网络协调器节点。STM32微处理器程序通过嵌入式系统MDK开发环境使用C语言开发。

数据采集节点下位机程序主要包括温度数据采集、A/D模数转换、串口通信等函数。数据采集节点上电后进行初始化打开定时器，然后等待定时器溢出中断，在定时器中断函数中通过A/D模数转换采集pH传感器输出数据，通过DS18B20单总线协议采集温度传感器数据，将数据按照通信协议存入发送缓冲区后，通过串口发送给CC2530 ZigBee通信模块，通信模块从串口接收数据后，通过ZigBee网络转发至数据汇聚节点，再由数据汇聚节点发送至上位机，上位机接收到完整1帧水质数据后能够提取出温度数据与pH传感器输出数据。数据采集节点软件流程图如图5所示。

图5 数据采集节点流程

4 数据处理方法

为了减小温度对pH传感器输出信号的影响，监测中心上位机在提取出原始水质数据后，采用基于二维回归分析原理的曲面拟合算法对pH传感器进行温度补偿[8-9]。使用水质数据中pH传感器输出电压U及温度T的二元函数来表示经过了温度补偿的pH参量

VpH=f(U,T)。

由二维坐标(U,T)所决定的VpH在同一曲面上，该曲面可利用二次曲面拟合方程描述为

VpH=α0+α1U+α2T+

α3U2+α4UT+α5T2+ε。

若上式的各个常系数已知，当获得电压U及温度T时，便可代入其中计算得到被测参量VpH。

为了计算方程各系数，在pH传感器的量程范围内确定n个pH标定点，在工作温度范围内确定m个温度标定点，各个标定点的标准输入值依次为

V1，V2，V3，…，Vn,

T1，T2，T3，…，Tm。

(1)

总计有m×n个标定点，其均方误差R应最小。显然

(2)

是常系数α0,α1,a2,α3,α4,α5的函数，根据多元函数求极值条件，分别对αi(i=0,1,…,5)求偏导且令导数为零，则可最终得到各个常系数，从而完全确定二次曲面拟合方程。

5 实验数据测量与分析

实验采用pH酸度计作为标准测量仪对pH复合电极进行标定以及对整个系统进行误差分析。将pH酸度计以及数据采集节点的pH复合电极、DS18B20温度传感器一同放入盛有待测溶液的烧杯中，实验装置如图6所示。

图6 实验装置

通过在溶液中添加化学试剂HCL与NaOH改变其pH值，记录每次pH值改变后pH酸度计显示的标准pH值与上位机实时接收到的溶液温度T与pH传感器输出电压U，得到的实验数据(表2)。

将实验测量得到的200组实验数据随机选取180组代入式(1)和式(2)，计算拟合方程各常系数 ，得到曲面拟合方程

VpH=18.590 - 0.009 042T-

3.647U+ 0.000 235 8T2-

0.010 69TU- 0.374 2U2。

(3)

曲面拟合方程的函数图像如图7所示。

表2 实验数据

图7 拟合图像

为验证拟合方程的有效性，将曲面拟合时未使用的20组实验数据中溶液温度T与电压U代入曲面拟合方程式(3)求得20组pH测量值并与实验中记录的pH标准值作对比，结果如表3所示。

实验结果中，20组使用二次曲面拟合方程计算所得的pH测量值绝对误差小于±0.2，平均相对误差约为1.19%，具有较好的测量精度，验证了二次曲面拟合方程在处理pH传感器温度补偿时的有效性。

表3 实验结果

6 结语

设计并实现了基于ZigBee的水质pH值在线监测系统，能够在组网的情况下实时采集水质pH值信息，同时具有较好的测量精度。此外系统搭配不同的水质传感器与其数据处理方程，还能够测量水质的其它信息。

[1] 邹应全,行鸿彦.高精度pH测量仪研究[J].测控技术,2010,29(9):1-4.

[2] 张坤,薛文玲,李志林,等.基于USB接口的在线pH值监测系统[J].仪表技术与传感器,2013,13(7):64-66.

[3] 陈瑶,薛月菊,陈联诚,等.pH传感器温度补偿模型研究[J].传感技术学报,2012,25(8):1034-1038.

[4] 谭靖.基于AD7792的pH在线监测传感器采集电路设计[J].电子科技,2013,26(12):93-95.

[5] 石家骏,钟俊,易平.基于ZigBee的无线抄表系统网关的设计与实现[J].计算机工程与设计,2011,32(3):875-878.

[6] 徐鹏,姚引娣.基于物联网的粮仓监测系统设计[J].西安邮电大学学报,2013,18(3):122-124.

[7] 刘火良,杨森.STM32库开发实战指南[M].北京:机械工业出版社,2013:124-138.

[8] 陈湘萍,刘南平,蔡举.一种多传感器数据信息的融合算法[J].天津师范大学学报:自然科学版,2011,31(1):42-44.

[9] 刘君华.智能传感器系统[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004:34-120.

[责任编辑:王辉]

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

工业和信息化部通信软科学研究计划资助项目(2014R38)；陕西省教育厅服务地方专项基金资助项目(14JF022);西安邮电大学研究生创新基金资助项目(112-2012)

赵小强(1977-)，男，硕士，副教授，从事物联网研究。E-mail:zxq7703@126.com 冯勋(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为物联网技术与应用。E-mail:379334525@163.com

TP216

A

2095-6533(2014)06-0071-05