Беспроводная система контроля качества воды

29 апреля

автоматизацияинтернет вещейуниверсальное применениеAnalog Devicesстатьяинтегральные микросхемыCortex-M3wirelessSmartMesh2.4GHz

Пию Дхакер (Analog Devices)

Компания Analog Devices представляет типовую разработку: надежную и отказоустойчивую беспроводную систему контроля качества воды на базе специализированного микроконтроллера ADuCM355 и собственной технологии SmartMesh IP. Система обладает возможностью интерактивного взаимодействия, подключается к облачным сервисам и предназначена для применения в пищевой промышленности, фармацевтике, коммунальном хозяйстве и других отраслях.

В ряде отраслей, таких как пищевая промышленность, фармацевтика, очистка сточных вод и тому подобных, все производственные процессы находятся в полной зависимости от систем контроля качества воды, которые измеряют и контролируют различные ее показатели. В качестве таковых могут выступать различные параметры, отражающие физические, химические и бактериологические характеристики воды, например:

  • Физические характеристики: температура и мутность;
  • Химические характеристики: показатель pH, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), электропроводность и концентрация растворенного кислорода;
  • Бактериологические характеристики: наличие водорослей и бактерий.

В данной статье описан электрохимический метод измерения параметров воды. Электрохимия – это раздел химической науки, который изучает протекание окислительно-восстановительных реакций и перенос электронов от одного реагента к другому. Электрохимические методы анализа используются для прямого или косвенного контроля и измерения значений перечисленных выше показателей качества воды. Любая установка для проведения электрохимических измерений (рисунок 1) включает в себя, по крайней мере, два основных блока:

  • Датчик: устройство, которое измеряет параметр, служащий показателем качества воды, и формирует соответствующий электрического сигнал.
  • Блок измерения и обработки: устройство, которое получает электрический сигнал от датчика и обрабатывает его.

Обычно на всем протяжении очистных систем устанавливают множество отдельных проводных датчиков. Эти датчики требуют периодической чистки и калибровки, а также своевременной замены в процессе эксплуатации системы. Применение беспроводных сетей передачи данных могло бы уменьшить эксплуатационные расходы, однако считается, что надежность таких сетей недостаточна для их использования в неблагоприятных условиях.

Меж тем в наши дни можно создавать высоконадежные беспроводные сенсорные сети, использующие новые методы измерений и новые сетевые технологии. В статье рассмотрена демонстрационная платформа, содержащая микроконтроллер ADuCM355 с интерфейсом химических датчиков, а также приемопередатчик с поддержкой технологии SmartMesh® IP компании Analog Devices. Эта технология позволяет развертывать сети беспроводных датчиков, надежность которых не уступает проводным сетям. Используя упомянутую платформу, можно создать отказоустойчивую и энергоэффективную беспроводную систему контроля качества воды, основанную на измерении водородного показателя pH. Использованный принцип можно применять и для измерения других электрохимических параметров, что позволяет создавать беспроводные сенсорные узлы, контролирующие целый комплекс показателей качества воды.

Рис. 1. Типичная установка для проведения электрохимических измерений

Рис. 1. Типичная установка для проведения электрохимических измерений

Измерение величины pH и pH-электрод

Величина pH показывает соотношение ионов водорода и гидроксид-ионов в водном растворе. В нейтральном растворе концентрация ионов водорода в точности равна концентрации гидроксид-ионов. Водородный показатель pH – это мера активности (в очень разбавленных растворах она эквивалентна концентрации) ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность. Показатель pH определяется как:

$$pH=-log_{10}(H+)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Где H+ — концентрация ионов водорода в моль/литр.

Значение pH любого раствора находится в диапазоне от 0 до 14, при этом нейтральный раствор имеет pH = 7, у кислого раствора pH < 7, а у щелочного раствора, соответственно, pH > 7.

pH-электрод (рисунок 2) — это электрохимический датчик, состоящий из стеклянного электрода и эталонного электрода.

Рис. 2. pH-электрод

Рис. 2. pH-электрод

При помещении pH-электрода в раствор на измерительном электроде появляется потенциал, величина которого зависит от активности ионов водорода в растворе. Этот потенциал затем сравнивается с потенциалом внутреннего эталонного электрода. Разность потенциалов измерительного и эталонного электродов представляет собой измеряемое напряжение, которое связано с водородным показателем уравнением Нернста:

$$E=a-\frac{2.303R(T+273.15)}{nF}\times (pH-pH_{ISO})\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где:

E – напряжение на электроде, помещенном в анализируемый раствор

a = ± 30 мВ, смещение нуля

T – температура окружающей среды в °C

n = 1 при 25°C, число электронов, участвующих в реакции

F = 96485 Кл/моль, постоянная Фарадея

R = 8,314 В⋅Кл/°К⋅моль, универсальная газовая постоянная

pH = концентрация ионов водорода неизвестного раствора

pHISO = концентрация ионов водорода в электролите сравнения; указывается в документации на ph-электрод; как правило, pHISO = 7

Из уравнения видно, что напряжение, генерируемое электродом, прямо пропорционально величине pH. Также из уравнения следует, что это напряжение прямо пропорционально температуре раствора. При увеличении температуры раствора разность потенциалов между двумя электродами увеличивается, и наоборот. Идеальный pH-электрод формирует напряжение ± 59,154 мВ/pH при 25°C.

Изменение температуры также может влиять на чувствительность измерительного электрода, что, в свою очередь приводит к возникновению погрешности измерения. Это предсказуемая погрешность, которую можно учесть путем калибровки датчика по температуре и корректировки получаемых значений в соответствии с температурой во время последующих измерений. Обычно датчик температуры встраивается в pH-электрод. В качестве такого датчика может использоваться термистор с отрицательным ТКС (NTC-термистор) или термометр сопротивления (RTD), например, PT100 или PT1000. Комбинированный pH-электрод с датчиком температуры изображен на рисунке 3.

Рис. 3. pH-электрод с датчиком температуры

Рис. 3. pH-электрод с датчиком температуры

В случае, если датчик температуры регистрирует ее изменение, то к измеренному значению pH применяется поправочный коэффициент, в результате чего на выходе pH-метра формируется скорректированное и более точное значение. Данный механизм позволяет скомпенсировать любые ошибки измерения pH, которые могут возникнуть из-за колебаний температуры.

pH-метр на основе ADuCM355

ИС ADuCM355 – наиболее продвинутая из имеющихся на рынке БИС интерфейса электрохимических датчиков. Этот микроконтроллер с низким энергопотреблением, оснащенный всей необходимой специализированной аналоговой периферией, представляет собой идеальную платформу для создания pH-метра. Небольшие размеры микросхемы позволяют размещать ее непосредственно внутри корпуса датчика, при этом она способна обеспечить функциональные возможности и характеристики, не уступающие применяемым в настольном оборудовании. На рисунке 4 приведена схема pH-метра на основе ADuCM355, в котором для подключения pH-электрода и датчика температуры предусмотрены разъемы BNC и RCA соответственно. Конструкция печатной платы соответствует типовой разработке CN-0428, а сама плата показана на рисунке 5.

Рис. 4. Схема подключения pH-электрода и датчика температуры к ADuCM355

Рис. 4. Схема подключения pH-электрода и датчика температуры к ADuCM355

Рис. 5. Печатная плата pH-метра на основе ADuCM355 с разъемами BNC и RCA

Рис. 5. Печатная плата pH-метра на основе ADuCM355 с разъемами BNC и RCA

Рис. 6. Беспроводной сенсорный узел SmartMesh, содержащий pH-метр на базе ADuCM355

Рис. 6. Беспроводной сенсорный узел SmartMesh, содержащий pH-метр на базе ADuCM355

Рис. 7. Сеть SmartMesh с сенсорными узлами и диспетчером сети в составе шлюза

Рис. 7. Сеть SmartMesh с сенсорными узлами и диспетчером сети в составе шлюза

Подключение сенсорного узла измерения pH к сети SmartMesh

Объединив ADuCM355 с приемопередатчиком SmartMesh компании Analog Devices, мы получим малогабаритный беспроводной датчик (сенсорный узел) для измерения pH, отличающийся низким энергопотреблением (рисунок 6). ИС ADuCM355 формирует измеренные значения pH в цифровом виде. Далее эти данные поступают по интерфейсу UART в беспроводной приемопередатчик SmartMesh IP LTP5902, который передает их по беспроводной сети диспетчеру SmartMesh IP.

SmartMesh – это собственная технология компании Analog Devices, ориентированная на создание многоотрезковых беспроводных ячеистых сетей, работающих на частоте 2.4 ГГц, основанная на стандарте IEEE 802.15.4e (рисунок 7). В этих сетях используется шифрование и аутентификация по стандарту AES128, обеспечивающие сквозную безопасность передаваемых данных. Приемопередатчики SmartMesh отличаются очень низким энергопотреблением и высокой энергоэффективностью, что позволяет создавать узлы сети с батарейным питанием.

В сетях SmartMesh для передачи данных используется канальный уровень, реализующий метод скачкообразной перестройки каналов через временные интервалы (time slotted channel hopping, TSCH), который обеспечивает тройное резервирование. Диспетчер сети SmartMesh (один из компонентов сетевого шлюза) формирует расписание сеансов передачи, обеспечивает безопасность сети, производит обновление программного обеспечения узлов сети «по воздуху» (технология OTAP) и автоматически оптимизирует процесс обмена 24 часа в сутки 7 дней в неделю. Помимо этого, диспетчер сети формирует подробные отчеты о состоянии сети, для доступа к которым предусмотрено специальное API. В небольших сетях один встроенный диспетчер может поддерживать до 100 сенсорных узлов. ПО VManager поддерживает поистине огромные сети, которые могут содержать до 50 000 узлов.

Тщательное стресс-тестирование сети показывает надежность передачи данных более 99,999%, что делает технологию SmartMesh идеальным вариантом для развертывания промышленных беспроводных сенсорных сетей с высокой доступностью, которые должны гарантировать отсутствие потери пакетов.

Беспроводная система контроля качества воды:

Рис. 8. Беспроводная система контроля качества воды на основе ADuCM355 и сети SmartMesh

Рис. 8. Беспроводная система контроля качества воды на основе ADuCM355 и сети SmartMesh

Демонстрационный образец беспроводной системы контроля качества воды, показанный на рисунке 8, состоит из:

  • Четырех сенсорных узлов (рисунок 9):
  • Каждый сенсорный узел состоит из стандартного стеклянного pH-электрода со встроенным датчиком температуры, подключенного к ADuCM355 и приемопередатчику SmartMesh IP в соответствии с рисунком
  • pH-электрод считывает значение pH, ADuCM355 выполняет преобразование и сопутствующие вычисления и передает измеренное значение pH по цифровому интерфейсу в приемопередатчик SmartMesh. Далее это значение посредством беспроводной сети SmartMesh передается в диспетчер сети.
  • диспетчер SmartMesh IP, подключенный к ПК через USB.
  • Шлюза, функции которого в данной системе выполняет ПК. На этом ПК установлены ПО Node-Red и пакет SDK SmartMesh. Пакет SDK SmartMesh используется для создания JSON-сервера обмена данными, подключенного к среде Node-RED. ПО Node-RED используется для отображения значений pH, полученных от каждого сенсорного узла, и обеспечивает подключение к различным облачным сервисам, таким как IBM Watson, Amazon AWS и т.д.

Рис. 9. Сенсорный узел

Рис. 9. Сенсорный узел

Практическая реализация

Для демонстрации мы возьмем трехсекционный аквариум со ступенчатым расположением секций, в котором вода будет перетекать из верхних секций в секции, расположенные ниже (рисунок 10). В каждую секцию погрузим pH-электрод одного из датчиков. Также в системе имеется четвертый датчик, pH-электрод которого помещен в эталонный раствор (указанный датчик находится на удалении от остальных и на рисунке 10 не показан). Этот датчик демонстрирует беспроводную передачу данных по сети SmartMesh на большое расстояние. При изменении pH раствора в верхней секции изменяется соответствующее значение, отображаемое в ПО Node-RED. По мере того, как новый раствор постепенно заполняет остальные секции, изменяются показания и других датчиков, также отображаемые на экране. Четвертый датчик контролирует состояние эталонного раствора с фиксированным значением pH, поэтому его показания не меняются.

Рис. 10. Беспроводная сеть контроля качества воды

Рис. 10. Беспроводная сеть контроля качества воды

Результаты измерений:

Результаты измерений значений pH со всех четырех сенсорных узлов отображаются на ПК в среде Node-RED.

ПО Node-RED – это инструмент потокового программирования, работающий в веб-браузере, который позволяет объединять разрозненные аппаратные и программные системы, а также онлайн-сервисы. Поток в формате JSON для нашего демонстрационного проекта показан на рисунке 11. Варианты отображения результатов измерения pH показаны на рисунках 12, 13 и 14.

Рис. 11. Поток данных в формате JSON

Рис. 11. Поток данных в формате JSON

Рис. 12. Информационная панель для демонстрационной беспроводной системы

Рис. 12. Информационная панель для демонстрационной беспроводной системы

Рис. 13. Результаты измерения pH, отображаемые в системе IBM Watson

Рис. 13. Результаты измерения pH, отображаемые в системе IBM Watson

Рис. 14. Результаты измерения pH в Твиттере

Рис. 14. Результаты измерения pH в Твиттере

Заключение

В данной статье рассматривается беспроводная система контроля качества воды, построенная с использованием ИС ADuCM355 и технологии SmartMesh IP компании Analog Devices. Небольшие габариты и малое энергопотребление использованных компонентов позволили реализовать беспроводные датчики с батарейным питанием. Отказоустойчивая технология SmartMesh обеспечивает надежную передачу данных даже в условиях сильных помех. Рассмотренный пример наглядно демонстрирует создание высоконадежной беспроводной системы контроля с возможностью подключения к облачным сервисам. Эта технология имеет огромный потенциал, поскольку позволяет контролировать качество воды в труднодоступных местах, гибко задавать пороговые значения параметров качества, в соответствии с которыми формируются тревожные и предупреждающие сообщения, а также использовать полученные данные для обеспечения более полного и эффективного контроля качества воды в непрерывном режиме.

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО Компэл

 

•••

Наши информационные каналы

О компании Analog Devices

Компания Analog Devices (AD, ADI) основана в 1965 году в Кембридже, штат Массачусетс, США двумя инженерами – выпускниками Массачусетского Технологического института (MIT) Рэем Стейтой (Ray Stata – первый президент и CEO) и Мэттью Лорбером (Matthew Lorber) с целью разработки и производства интегральных операционных усилителей (ОУ) – новых в тот момент на бурно развивающемся рынке полупроводниковой электроники изделий. Уже через три года продажи компании достигли 5,7 млн. USD. К 1970 AD открыла ...читать далее

Товары
Наименование
ADUCM355BCCZ-RL7 (AD)
ADUCM355BCCZ (AD)
LTC6078CDD#TRPBF (AD)
LTC6078IMS8#TRPBF (AD)
LTC6078CDD#PBF (AD)
LTC6078HMS8#TRPBF (AD)
LTC6078IDD#TRPBF (AD)
LTC6078ACMS8#TRPBF (AD)
LTC6078AIMS8#TRPBF (AD)
LTP5902IPC-IPMA1D1#PBF (AD)
LTP5902IPC-WHMA1A2#PBF (AD)