重金属监测的光学单元无线化系统设计与研究*

牛立群,王伟明,喻 言*,黄 辉,白 敏,王 兵

(1.大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁 大连 116024;2.国网吉林省电力有限公司检修公司,长春 130000)



重金属监测的光学单元无线化系统设计与研究*

牛立群1,王伟明1,喻 言1*,黄 辉1,白 敏1,王 兵2

(1.大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁 大连 116024;2.国网吉林省电力有限公司检修公司,长春 130000)

基于无线传感器网络技术,结合光学测量高精度的特性,设计了一套用于重金属监测的无线化系统。首先,完成了无线采集节点的整体架构设计;其次,在分析光学传感单元的特性及机理基础上,采用模块化设计方法,进行了光学无线采集节点的各个单元硬件设计和相应的软件设计;最后,对无线系统进行了功能验证实验。实验表明,所设计的光学无线化系统具有精度高、低成本、低功耗、布设便捷等优点,在重金属监测等相关领域具有很好的应用前景和实用价值。

光学测量;重金属监测;无线化系统;光学传感单元

随着工农业的迅速发展,大气、土壤、水环境中均存在重金属污染,重金属污染已逐渐成为危害最大的污染问题之一[1]。水中的重金属污染,是指排入水中的重金属物质超过了水的自净能力,不仅使水的性质发生变化,还会影响人类的生活和健康[2-4]。例如被重金属污染的海水中的海鲜,若被人们所食用,轻者会使人类中毒,严重会危及生命,六价铬在人体内可致癌并可能诱发基因突变。因此,监测水中的重金属含量对环境保护、可持续发展和人类健康生活具有重要意义[5-7]。

对重金属污染,目前应用较为广泛的一些分析方法主要有:电化学方法、原子荧光光度法、原子吸收光谱法等[7-8],这些方法不仅操作复杂,而且需要时间长。若取样本运输到实验室检测、分析,更可能会错过检测的最佳时间,造成更大的损失。因此,开发一套对重金属污染实时在线检测的综合系统是至关重要的。

利用光学手段监测重金属污染,具有无标记、实时性好、布设便捷等优势。近年来,随着无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)技术的迅速发展,由最初在军事上的应用,现在已经逐步拓展到土木工程智能监测、医用监测、以及环境监测等领域[9-10]。基于此,本文设计了一款基于光学传感单元用于重金属监测的无线化数据采集系统,系统包括嵌入式硬件及软件的设计。数据传输采用无线方式,避免了传统有线方式的布线繁琐,拆卸困难等缺点。配合了自主开发的上位机采集软件,可以实时动态的监测水质,并实时处理所采集的数据,实现了对重金属污染快速测试、实时分析等功能,提高了测量精度,降低了设备造价。

1 光学传感单元的无线采集节点设计

1.1 系统架构设计

无线系统由传感器节点和基站组成。节点包括光学传感单元、光学传感单元的接口单元、微处理单元、数据存储单元、无线通信单元及电源管理单元。另外,所设计的节点功耗低、抗干扰能力强、数据可靠性高、可循环充电,其硬件电路具有隔离和短路保护功能。水中的重金属检测信号被光学传感单元感知,由光信号转换成模拟电信号,经过A/D转换器转换成数字信号,被微处理单元处理、打包以无线的方式传输到基站。无线采集节点架构设计图如图1所示。

图1 无线采集节点架构设计图

1.2 光学传感单元机理分析

节点的光学传感单元部分有两个液体通道分别流入待测液和参考液,由三通阀切换。激光光源主要产生光源,实验采用绿光光源。激光探测部分主要采用光电探测二极管,将光信号转化为电信号,作为节点的输入信号[11-12]。系统工作流程如图2所示。

朗伯比尔定律的核心是一束单色光照射吸收介质,通过了一定厚度的吸收介质后,吸收介质吸收一部分光能,使透过的光的光强减弱。透过的光的光强的强度大小与吸收介质浓度和吸收介质厚度有关[12-14]。透过液体的光经光电转换转换为电压值,金属波导管光度计的吸光度计算公式如式(1)所示:

(1)

式中:A为金属波导管光度计的吸光度,Vblank为通标准液时,透过参考液的光经光电转换的电压值,Vcolor为通待测液时,透过待测液的光经光电转换的电压值,Vdark为没有光照射时光电探测器的输出电压值,实验测得为2.823mV。

图2 系统工作流程图

1.3 基于光学传感单元的无线采集系统的硬件设计

处理器采用16 bit超低功耗芯片msp430F5438,其采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式,低电压供电范围为2.2 V～3.6 V。可选择多种时钟系统,内部4个USCI可以配置成SPI,USART,I2C。具有100个I/O引脚。其丰富的片内资源不仅满足系统的要求,还为今后的系统功能扩展提供了保障。

传感器可由外接220 V/24 V电源供电,也可24 V电池供电,可抗工频50 Hz干扰,由于节点各个模块组成单元不同,故将电压变换为+24 V,+12 V,+3 V,+3.3 V。

通讯单元采用以CC2530为核心,基于Zigbee技术开发的2.4 GHz无线收发模块,可靠传输距离可达150 m。发射功率4.5 dBm,休眠模式处于低功耗状态,真正降低节点的功耗。

数据采集模块采用高精度24 bit的ADS1248,其数据输出速率可编程控制,最高可达2 KSPS,满足系统的要求,数据采集单元由MAX4051A进行通道选择,然后通过隔离变送器进行信号隔离,再通过ADS1248进行模数转换,隔离变送器内部采用电磁隔离技术,相比光耦隔离具有更好的温漂特性和线性度。电路图如图3所示。

图3 AD转换电路图

2 基于光学传感单元的无线采集系统的软件设计

基于光学传感单元的无线传感器采集系统的软件设计主要由两部分组成:基于光学传感单元的无线传感器的嵌入式程序与主控端PC机上的数据采集软件。

2.1 无线采集节点的嵌入式程序

嵌入式程序主要由ADC驱动程序、存储器驱动程序、实时时钟驱动程序、无线驱动程序、以及数据分析与处理等程序组成,接收控制中心的开始采集命令和参数设置指令,完成传感器节点的参数设定。开始进行数据采集,存储,发送等操作。工作时,传感器节点上电后首先进行各个模块单元的初始化,然后将无线模块设置为接收状态。等待控制中心发来的参数命令和采集指令。接收到指令后,开始进入采集状态,采集过程中无线模块仍会处于接收状态,以对主控端在传感器采集过程中发出的参数变化做出及时的响应。直到接收到主控端的停止采集指令后停止采集。

图4 节点程序流程图

程序流程图如图4所示。

2.2 主控端采集软件

主控端采集软件主要功能有:对传感器节点参数的设置,波形显示、数据导出及存储,以及对数据拟合等功能。主控端的采集软件界面如图5所示。

图5 采集软件界面

图6 不同浓度下的实验数据

参数设置主要包括对IP号,端口号,采样速率,采集精度等参数进行设置。波形显示实现对采集的数据进行实时显示。数据导出实现将采集到数据导出到文件中。数据拟合实现对采集的数据进行分析。

2.3 数据拟合算法

①采集一个周期到3个周期后,在上位机数据拟合区输入拟合区间的起始点。

②分别在拟合区间起始点的右面取100个点,用最小二乘法拟合两条直线,式(2)、式(3)所示:

(2)

(3)

③取横坐标的中点值代入第2步中的直线中,计算出Vblank和Vcolor,并将其代入式(1)中,计算出吸光度。

3 实验验证

根据传感器机理特性可知,待测量的溶液需要带有颜色,能吸收一部分光源产生的光。对重金属测量时需要加入适量的显色剂,而红墨水显红色,并易于获取,实验室采用不同浓度的红墨水溶液替代重金属溶液进行验证实验,并配置了五组不同浓度的红墨水,以1∶4的配比将红墨水与去离子水混合作为第2次溶液,以后每次溶液在前一次溶液的基础上稀释五倍,共配置十组溶液,取第6次到第10次作为实验样本。将红墨水作为待测液,去离子水作为参考液。实验前先调试传感器,待传感器稳定之后,通参考液,光源探测系统会探测透过参考液的光,并转换为电压值,通过无线传输到上位机显示。3 min过后,切换为待测液,再次测试3 min,测试数个周期后。保存数据。截取部分实验数据如图6所示。

实验数据分析如表1所示。

表1 实验数据处理

随着浓度变低,透过样本的光的光强增大,因此,通待测液时,经光电转换转化后的电压值更接近通参考液时转化的电压值,计算出吸光度的值越小,与实验结果相契合。

4 结论

根据现有的重金属监测方法存在的一些不足,本文利用光学测量高精度的特性,并结合无线传输的可靠性,从系统硬件,嵌入式软件两个方面设计一套无线化系统。由于红墨水溶液易于获取,根据传感器的机理特性分析,采用红墨水替代重金属溶液对系统进行验证具有一定的说服力。验证结果表明系统具有采集精度高,低功耗,布设便捷,携带方便的优势,同时结合自主研发的上位机软件,实现对采集数据实时分析处理。节点性能参数如表2所示。该无线化系统为重金属监测领域提供了技术支持,具有良好的应用前景。

表2 系统性能参数

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牛立群(1992-),男,大连理工大学电子科学与技术学院在读研究生。研究方向为无线传感器网络,392345617@qq.com;

王伟明(1986-),男,大连理工大学博士研究生,主要研究方向为便携式显微成像技术研究与仪器研制等,wwm_warmly@163.com;

喻 言(1977-),男,教授,博士,博士生导师,研究方向为无线传感器网络,结构健康监测等,yuyan@dlut.edu.cn。

Design and Research of Wireless System for Heavy Metal Monitoring based on Optical Sensor Unit*

NIULiqun1,WANGWeiming1,YUYan1*,HUANGHui1,BAIMin1,WANGBing2

(1.College of Electronic Science and technology,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116024,China;2.State Grid JILIN Maintenance Company,Changchun,Changchun 130000,China)

This paper described the implementation of a wireless system for the heavy metal monitoring in the water based on the high-precision optical measurement characteristics and wireless sensor network technology. Firstly,the architecture of wireless sensor nodes was designed for monitoring. Secondly,by using a modular design method,the features and mechanism of optical sensing unit had been analyzed,moreover,the hardware design and embedded software design of the optical wireless sensor node were developed for the system. Finally,the performance of the system was assessed. The test results illustrate that,the system developed in the study can exhibit good behavior with high-precision,low cost and low power consumption,and it is expected to be a valuable and practical technology deployed in the heavy metal monitoring field.

optical measurement;heavy metal monitoring;wireless system;optical sensor unit

项目来源:国家自然基金项目(51678108);大连理工大学2015年度基本科研业务费重点类项目(DUT15ZD117);辽宁省高校优秀人才计划(LJQ2015028)

2016-08-08 修改日期:2016-11-07

TN92

A

1004-1699(2017)03-0433-05

C:4180;7210G;7220

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.03.017