基于ZigBee的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董方武，王紹卜，馬子余

(1.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 寧波 315211；2.浙江萬(wàn)里學(xué)院，浙江 寧波 315100)

0 引 言

在化工及紡織生產(chǎn)中，需要對(duì)工藝中的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，由于堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化大，對(duì)不同的工藝堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的檢測(cè)需要使用不同的檢測(cè)方法，如密度法、折光法、電導(dǎo)法和滴定法等.而這些檢測(cè)方法具有一定的局限性，檢測(cè)時(shí)需要使用不同的檢測(cè)設(shè)備[1]，同時(shí)，需要引出工作液，引出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝和維護(hù)也不方便，實(shí)時(shí)性較差，設(shè)備成本較高，檢測(cè)精度一定程度受到工藝擾動(dòng)的影響.根據(jù)電化學(xué)原理，可通過(guò)測(cè)量工作液中OH-離子濃度達(dá)到檢測(cè)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的目的.這種方法可直接檢測(cè)工作液的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且基本不受工作液的擾動(dòng)和其他因素的影響[2].

堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)自動(dòng)檢測(cè)一般使用基于單片機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)信號(hào)使用有線方式傳輸，系統(tǒng)抗干擾、抗惡劣工作環(huán)境性能較差.因此，設(shè)計(jì)一種低成本、抗干擾、抗惡劣工作環(huán)境、可靠性高的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)提高生產(chǎn)工藝中堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)的性能具有一定的意義.ZigBee技術(shù)作為一種新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別適合應(yīng)用在數(shù)據(jù)量小、數(shù)據(jù)格式簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性要求高、工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、布線與供電不方便、監(jiān)控點(diǎn)多且呈簇狀分布的監(jiān)控系統(tǒng)中[3].本文針對(duì)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)性要求，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee技術(shù)的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

1 檢測(cè)原理

根據(jù)電化學(xué)原理，金屬在酸堿鹽溶液中與溶液之間存在一定的電位，該電位與溶液中離子濃度之間存在一定的對(duì)數(shù)關(guān)系[4].在NaOH溶液中插入金屬鐵形成一個(gè)原電池，如圖1所示，在金屬Fe和NaOH溶液之間存在一電極電勢(shì).根據(jù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)溫度變化到某一值時(shí)，金屬上的電勢(shì)可用下式表示：

E=(0.0592/n)lgK+C

(1)

式(1)中：C為金屬常數(shù)，其值與金屬材料有關(guān).因此根據(jù)式(1)測(cè)量金屬上的電勢(shì)，即可計(jì)算出溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[5].

圖1 金屬電勢(shì)測(cè)量原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)原理

基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖2所示，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為兩類：一類是主節(jié)點(diǎn)，另一類為從節(jié)點(diǎn)，可通過(guò)軟件方式設(shè)置，傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置為簡(jiǎn)化功能節(jié)點(diǎn)(RFD)，主要功能是數(shù)據(jù)采集與發(fā)送；主節(jié)點(diǎn)及路由節(jié)點(diǎn)設(shè)置為全功能節(jié)點(diǎn)(FFD)[6]，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理、指令控制與數(shù)據(jù)收發(fā).系統(tǒng)中的從節(jié)點(diǎn)與傳感器集成，路由節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定，主節(jié)點(diǎn)與主控制器或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成.該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活，傳感器節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)或多組，當(dāng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)間距離較短時(shí)，可省去路由節(jié)點(diǎn).

傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度傳感器采集工作液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度信息，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)節(jié)點(diǎn)的處理器處理后，以無(wú)線方式傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn).主節(jié)點(diǎn)對(duì)所接收傳感器節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行處理后，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度信息在LCD上顯示，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)接口電路將傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破骰蛴?jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ).

圖2 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)系統(tǒng)框圖

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的基本電路如圖3所示.堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)電路使用兩個(gè)高輸入、輸出阻抗的斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器ICL7650[7]U4和U5組成差動(dòng)放大電路，其輸入阻抗在1012Ω以上，使輸入信號(hào)不受電路阻抗變化的影響.由于ICL7650利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)消除了CMOS器件固有的失調(diào)和漂移,從而擺脫了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零電路的束縛,克服了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零放大器的缺點(diǎn)，使該電路具有有效抑制共模噪聲的干擾，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境.放大器供電電壓為5 V，通過(guò)調(diào)節(jié)PR4、PR5、PR6的阻值使U5輸出電壓為0～3.3 V.

溫度檢測(cè)電路采用AD590[8](U1)作為溫度傳感器，溫度檢測(cè)范圍-55～+150 ℃,有較寬的電源電壓適應(yīng)能力，放大器采用ICL7 560(U2)，通過(guò)調(diào)節(jié)PR1和PR3來(lái)調(diào)整溫度檢測(cè)范圍，使U2的輸出在0～3.3 V ，PR3用于調(diào)節(jié)U2的輸入失調(diào)，電源由U7及U8提供±5 V電壓.

數(shù)據(jù)處理與傳輸電路采用基于ZigBee技術(shù)的CC2 430[9]芯片，內(nèi)含與8051兼容的CPU、8/14位的ADC、128KB的RAM及符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的RF無(wú)線收發(fā)機(jī).由U2和U5輸出的信號(hào)分別通過(guò)P0_1和P0_0輸入至U6內(nèi)部的ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換.當(dāng)U6接到主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集指令時(shí)，啟動(dòng)中斷處理程序，在一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)對(duì)濃度和溫度電壓信號(hào)采樣，然后對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行等精密度處理[10]，將處理后的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定的存儲(chǔ)單元，再以一定的數(shù)據(jù)格式經(jīng)CC2430的RF模塊傳輸至主節(jié)點(diǎn).

圖3 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度檢測(cè)基本電路

為了消除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾，電極與處理電路之間的連接線路要求盡量短，并采用屏蔽線的方式減少干擾.

2.3 主節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收與處理基本電路如圖4所示.U3采用CC2430芯片作為網(wǎng)絡(luò)控制器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集指令控制與數(shù)據(jù)傳輸及處理.通過(guò)U3計(jì)時(shí)器中斷向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送檢測(cè)指令，傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)RF模塊的處理后，存儲(chǔ)到CC2430的指定存儲(chǔ)單元，再調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序，按式(1)計(jì)算被測(cè)堿液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后通過(guò)P1_1、P1_4、P1_5、P1_6和P2_0輸出到液晶顯示器顯示對(duì)應(yīng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù).同時(shí)將檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)通過(guò)P0_2～P0_5輸出到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)和相應(yīng)的處理.液晶顯示器采用TBG128064F型帶中文字庫(kù)的顯示模塊.U2為RS232串行接口電路，采用MAX232接口芯片，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信.電源供電為5 V電壓，通過(guò)U1向U3提供3 V的高精度電源.S1為復(fù)位按鈕，復(fù)位時(shí)經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后開始節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)的初始化.

圖4 數(shù)據(jù)接收與處理基本電路

2.4 軟件設(shè)計(jì)

堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì).檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的流程如圖5所示，主要功能是進(jìn)行堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)發(fā)送等；主節(jié)點(diǎn)的流程如圖6所示，由網(wǎng)絡(luò)管理、無(wú)線發(fā)射與接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸模塊等組成，在數(shù)據(jù)處理時(shí)根據(jù)式(1)計(jì)算工作液的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖

圖6 主節(jié)點(diǎn)流程圖

3 檢測(cè)結(jié)果分析

使用上述檢測(cè)電路測(cè)試堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的范圍為0～42，檢測(cè)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)樣本為：0、0.25、0.07、0.11 5、0.17 5、0.23、0.275、0.325、0.375、0.42共10份，其中0和0.42質(zhì)量分?jǐn)?shù)的液體用于調(diào)整檢測(cè)電路的輸出信號(hào)從0 V至3.3 V,檢測(cè)結(jié)果如表1所示.

表1 堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

該堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)系統(tǒng)采用基于ZigBee的無(wú)線傳感器技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸使用無(wú)線方式，有效地克服了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種干擾，具有實(shí)時(shí)在線連續(xù)測(cè)量、操作方便、使用靈活、檢測(cè)濃度范圍廣、測(cè)量精度高等特點(diǎn).該系統(tǒng)不僅用于檢測(cè)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，還可用于檢測(cè)酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在紡織、化工等行業(yè)生產(chǎn)中具有很好的應(yīng)用價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

[1]陳立秋.前處理工藝過(guò)程中堿溶液濃度的測(cè)控[J].染整,2004,(6):39.

[2]林壽英，林逮烽，聶勝芬.基于PCC的高速公路隧道電力監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(3)：85-86.

[3]曲保中,朱炳林,周偉紅.新大學(xué)化學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社 2002,(1):86.

[4]沈斌，漆奮平，江維，等.基于BP網(wǎng)絡(luò)的超濾膜分離中藥成分的分析與實(shí)現(xiàn)[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(9)：55-58.

[5]陳國(guó)杰,徐志民.基于ICL7650程控微電流放大器的設(shè)計(jì)[J].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001，(12):8-10.

[6]王宏寶.電子測(cè)量[M].北京:科學(xué)出版社,2005:27-35.

[7]劉姝遠(yuǎn)，金太東，胡博，等.BP-PID在鍋爐蒸氣壓力控制中的應(yīng)用[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(7)：91-94.