Беспроводная сенсорная сеть для мониторинга качества воды

При производстве напитков, лекарств, а также при очистке воды используют системы мони­торинга для измерения и контроля показателей качества воды. В статье рассматривается сен­сорная сеть для мониторинга качества воды.

П. Дхакер

Параметры, определяющие физические, хими­ческие и биологические характеристики воды, мо­гут использоваться в качестве показателей качества воды. К физическим параметрам воды относятся, например, ее температура и мутность; к химиче­ским – pH, окислительно-восстановительный по­тенциал, проводимость и количество кислорода в воде, к биологическим – концентрация водорослей и бактерий в воде. Для измерения качества воды, как правило, используются электрохимические ме­тоды. Измерительные системы на основе электро­химии состоят из сенсоров и устройств измерения и обработки полученных от сенсоров сигналов. В по­следнее время в связи с развитием микроэлектро­ники на смену проводным измерительным систе­мам приходят беспроводные сенсорные сети. В ка­честве примера рассмотрим сенсорную сеть на ос­нове контроллера ADuCM355 с использованием IP- технологии Analog Devices SmartMesh® для по­строения системы мониторинга качества воды (по­казателя pH). Данная система мониторинга может быть использована и для измерения других показа­телей качества воды в зависимости от типа исполь­зуемого электрохимического сенсора. Типовая из­мерительная система на основе электрохимическо­го сенсора приведена на рис. 1.

Значение pH является мерой относительного ко­личества ионов водорода и гидроксида в водном растворе. Нейтральный раствор – это раствор, в ко­тором концентрация ионов водорода точно равна концентрации ионов гидроксида. Показатель pH является еще одним способом выражения концентрации ионов водорода, измерения кислотности или основности (щелочности) раствора, который опре­деляется как pH = -10lg(H +), где H + – концентрация ионов водорода в единицах моль/литр.

Рис. 1. Структура типовой измерительной системы на основе электрохимического pH-сенсора

Значение рН раствора колеблется от 0 до 14, причем нейтральный раствор имеет рН, равный 7, кислый – имеет рН менее 7 и щелочной раствор имеет рН больше 7. рН-сенсор состоит из двух электродов: измерительного и электрода сравне­ния, рис. 2.

Рис. 2. Конструкция рН-сенсора

Когда сенсор pH погружен в раствор, измери­тельный электрод генерирует напряжение, которое зависит от активности ионов водорода в растворе. Это напряжение сравнивается с потенциалом внут­реннего электрода сравнения. Разница напряжений между внутренним измерительным электродом и электродом сравнения представляет собой потенциал, который может быть представлен в виде урав­нения Нернста для водородного сенсора

E = a – /nFx( pH – pH ISO),

где где Е – напряжение на электроде с неизвестной активностью;

а = ±30 мВ, допуск в нулевой точке;

Т – температура окружающей среды в °С;

n – валентность (количество зарядов на ионе), n = 1 при 25 °C; F= 96485 Кл/моль, постоянная Фарадея;

R = 8.314 Дж/(моль К), постоянная идеального газа; pH – концентрация ионов водорода в исследуемом растворе; pH_ISO – концентрация ионов водорода в эталонном электролите.

Уравнение (2) связывает напряжение Ec величи­ной pH исследуемого раствора. Из него следует, что напряжение E прямо пропорционально темпе­ратуре раствора. По мере увеличения температуры раствора разность потенциалов между двумя элек­тродами увеличивается, и наоборот. В идеальном pH-сенсоре потенциал E = ±59.154 мВ на единицу pH при 25 °C. Изменение температуры может при­вести к изменению чувствительности измеритель­ного электрода, что, в свою очередь, вызывет уве­личение погрешности измерения. Эта погрешность может быть учтена путем калибровки сенсора по температуре, а затем исключена путем коррекции при последующей обработке.

Как правило, температурный сенсор встроен в сенсор pH. Температурный сенсор может быть вы­полнен в виде термистора или термометра сопро­тивления типа PT100 или PT1000. Сенсор pH с температурным сенсором показан на рис. 3.

Рис. 3. Конструкция рН-сенсора с температурным сенсором

Если температурный сенсор измеряет темпера­туру во времени, поправочный коэффициент при­меняется к корректировке окончательного показа­ния pH. pH-сенсор, совмещенный с температурным сенсором, может быть подключен к микроконтрол­леру ADuCM355, как показано на рис. 4.

Рис. 5. Оценочная плата с микроконтроллером ADuCM355для измерения pH и температуры раствора

ИМС ADuCM355 – это микроконтроллер с низ­ким энергопотреблением, предназначенный для измерения сигналов, снимаемых с электрохимиче­ских сенсоров, например, для определения показа­теля pH. Оценочная плата с микроконтроллером для измерения pH и температуры раствора приведена на рис. 5.

Рис. 4. Схема подключения pH сенсора, совмещенного с температурным сенсором, к микроконтроллеру ADuCM355

Микроконтроллер ADuCM355 вместе с приемо­передатчиком беспроводной сети SmartMesh ком­пании Analog Devices образуют сенсорный узел для измерения pH. ADuCM355 предоставляет измерен­ные данные pH в виде цифрового кода, который че­рез UART-порт поступает в беспроводной IP-транс­ивер типа LTP5902 компании Analog Devices. Схема сенсорного узла показана на рис. 6.

Рис. 6. Сетевой сенсорный узел для измерения pH и температуры раствора на основе микроконтроллера ADuCM355

Сеть SmartMesh представляет собой беспровод­ную ячеистую сеть с частотой 2.4 ГГц, разработан­ную компанией Analog Devices на базе стандарта IEEE 802.15.4e. Она поддерживает функции шифро­вания и аутентификации AES 128, обеспечивая на­дежную функциональную безопасность. Сеть SmartMesh обмениваются данными на канальномуровне. Диспетчер сети SmartMesh координирует расписание, управляет безопасностью, поддержи­вает программирование сети через радиоканал 24 часа в сутки (over-the-air programming или OTAP). Диспетчер сети также предоставляет отчет о рабо­тоспособности сети через интерфейс API. Для не­больших сетей один встроенный менеджер может поддерживать до 100 сенсорных узлов. Структура описанной сенсорной сети приведена на рис. 7.

Рис. 7. Структура SmartMesh сети с сенсорными узлами

Тестирование сети обеспечивает надежность приема-передачи данных на уровне 99,999%, что делает беспроводную SmartMesh сеть идеальным решением для промышленного применения. Струк­тура сети для мониторинга качества воды приведе­на на рис. 8.

Рис. 8. Беспроводная сенсорная сеть для мониторинга качества воды

Фрагмент такой сети показан с микроконтролле­ром ADuCM355 на рис. 9, а беспроводной сенсор­ный узел – на рис. 10.

Рис. 9. Фрагмент беспроводной сенсорной сети для мониторинга качества воды

Рис. 10. Беспроводной сенсорный узел

Результаты мониторинга качества воды, полу­ченные от 4 сенсорных узлов, приведены на рис. 11.

Рис. 11. Результаты мониторинга качества воды с помощью сетевых сенсорных узлов на экране ПК

ВЫВОДЫ.

Представленные в статье новая элементная база и сетевая сенсорная технология для мониторинга качества воды, разработанные компанией Analog Devices, могут быть успешно использованы в пище­вой промышленности, сельском хозяйстве и в охране окружающей среды.