基于電力線載波通信的pH值監測系統設計

李水明

（柳州鐵道職業技術學院電子技術學院，廣西柳州，545006）

基于電力線載波通信的pH值監測系統設計

李水明

（柳州鐵道職業技術學院電子技術學院，廣西柳州，545006）

針對目前pH值監測采用傳統的通信方式局限性，提出利用電力線載波技術傳輸pH值數據。本監測系統采用LPC2103微處理器和電力線載波通信模塊作為pH值采集終端，將pH值數據通過電力線網絡傳輸到上位機顯示，實現對pH值的實時監測。

電力線載波；pH值；監測

0　引言

pH值檢測被廣泛應用于制造業、水產養殖業、農業、制藥等領域。例如造紙業的廢水處理需要實時檢測污水的pH值并進行相應處理；水產養殖業適合魚類生長水體pH值范圍為6.5~8.5。目前，傳統的pH值檢測數據傳輸主要通過雙絞線、光纖、無線等方式傳輸數據。傳統的有線傳輸方式需要鋪設專用的通信線路增加了建造成本。若采用無線方式傳輸數據則受建筑物墻體等環境影響較大，造成數據丟失。針對上述問題，本檢測系統采用電力線載波通信技術，利用廣泛存在的電力輸電線路作為媒介來傳輸pH值數據。本文設計監測的系統，用戶可在上位機PC端遠程實時查看各個檢測點的pH值，設定pH值的范圍，若超過設定的范圍則報警提醒。系統的下位機利用高性能、低功耗的嵌入式處理器LPC2103作為控制核心，本pH值監測系統利用電力輸電線路作為數據傳輸通道，免除鋪設專用通信線路的成本；下位機采集終端只需要連接上電力輸電線即可組網與上位機進行通信實時傳輸數據。本pH值監測系統具有即插即用安裝方便、建造成本低、受環境影響小、多點監測、容易維護等特點。

圖1　pH值監測系統結構框架

1　pH值監測系統的總體設計

本pH值監測系統由上位機和下位機兩部分組成。上位機顯示終端實時接收和顯示pH值數據，同時將pH值數據保存到數據庫中，方便日后查看。下位機利用LPC2103微處理器作為控制核心通過A/D轉換實時讀取傳感器的電壓值轉換為對應的酸堿度值發送到電力線載波模塊上，電力線載波模塊通過將pH值數據調制后發送到電力輸電線上。上位機監測顯示端通過電力線載波模塊從電力線上耦合和解調出pH值數據，然后通過串口傳送到PC端顯示。pH值監測系統結構框架如圖1所示。

2　pH值監測系統硬件設計

2.1LPC2103控制核心模塊。酸堿度監測系統下位機控制核心采用NXP公司推出的高性能、低功耗32位微處理器。LPC2103采用基于ARM7TDMI-S內核架構，速率高達70 MHz，包含8路的10位的A/D轉換器、2個UART接口、32個通用I/O口。LPC2103作為下位機控制核心負責實時讀取pH值模塊的電壓值轉換為對應的pH值和將數據發送到電力線載波通信模塊上。LPC2103利用高速A/D轉換實時從pH電極獲取酸堿度電壓值。

2.2pH值采集模塊。本監測系統的pH值的采集模塊由放大電路和溶液pH測量電極組成。pH值測量電極采用寬測量范圍的玻璃電極，其測量范圍為：0~14。pH電極通過化學反應將液體的酸堿度轉換為電能輸出。pH電極的兩根輸出線分別為：pH-參比電極和pH+測量電極。由于輸出的電壓微小需要通過運放將pH電極信號放大到LPC2103能檢測的范圍。

溫度影響電極的輸出信號電壓值。在同一pH值的溶液中，不同溫度時，檢測電極輸出的不同的信號電壓。本pH值監測系統采用DS18B20作為溫度檢測傳感器，對讀取的電極的輸出電壓進行補償。

2.3電力線載波通信模塊。本pH值監測系統的酸堿度數據傳輸采用電力輸電線作為傳輸通道。下位機LPC2103處理器讀取pH值數據通過串口發送到電力線載波通信模塊上。本監測系統采用科強電子公司推出的KQ-130F電力線載波通信模塊。KQ-130F模塊適用于0~220V的電力輸電線上，具有抗干擾能力強、通信距離遠、通信速度快等特點。在不添加通信中繼情況下，通信距離可達1500m。KQ-130F模塊內部已集成了信號的調制、解調、濾波等電路，采用該模塊構建電力線通信模塊能夠提高系統的穩定性和通信速率。下位機LPC2103控制核心與KQ-130F電力線載波模塊通過串口進行通信，波特率為9600bps。

本系統的上位機與下位機通信協議格式為：數據/指令+地址碼+數據+CRC校驗。上位機與下位機通信采用應答模式，當上位機發送pH采集指令碼時，對應的地址編號的下位機接收到發送數據的命令后向上位機發送pH值數據。

3　pH值監測系統軟件設計

本pH值監測系統上位機在PC機window系統上運行，應用程序由Microsoft公司推出的Visual Studio 2012集成開發平臺構建。上位機接收顯示程序采用c#進行開發和數據庫采用SQL server 2008管理系統對pH數據存儲和查詢進行管理。本監測系統上位機負責接收、顯示、保存數據等功能。電力線通信模塊從電力輸電線上耦合到載波數據經過放大和解調出pH值數據，將數據通過串口發送到PC機上顯示。上位機應用程序采用輪詢應答方式采集數據。本監測系統每個下位機都設定固定的地址，上位機發送讀取pH值指令，對應地址的下位機開始響應返回液體的pH值數據。

4　系統測試

本pH值監測系統上位機應用程序在PC機上運行采用window7系統。每個下位機數據采集終端設置固定的地址編號，地址由兩位十六進制數組成起始地址為：0X00 0X01，多個下位機依次增加。上位機每個1s輪詢一遍所有下位機的pH值，實時顯示各個采集點的pH值。在實驗室環境中，系統能夠實時穩定顯示各個采集點的溶液pH值，采集的數據誤差在合理范圍內。pH值監測系統上位機操作界面如圖2所示。

5　結論

基于電力線載波pH監測系統利用電力線作為數據傳輸媒介，只要有電線的地方即可組網通信，節省架設專用通信線路的成本，受環境制約較少，實用性較強。用戶通過PC端上位機可以實時監測各個檢測點的pH值。實驗表明該系統生產成本低、運行穩定可靠、實時性強，可以應用于工業生產、農業、水產養殖業等領域，具有廣泛的應用前景。

Design of pH value monitoring system based on power line carrier communication

Li Shuiming
（Liuzhou Railway Vocational Technical College，Liuzhou Guangxi，545006）

The monitoring system uses LPC2103 microprocessor and power line carrier communication module as the pH value acquisition terminal，pH data transmission through the power line network to the host computer display，to achieve real-time monitoring of pH value.

power line carrier；pH value；monitoring

TP302.1

A

李水明（1983- ） 男，漢族，碩士研究生，研究方向：智能控制、機器人。

圖2pH值檢測系統上位機操作界面

2016年度廣西高校中青年教師基礎能力提升項目（KY2016YB760）、2015年校級立項課題（2015-C21）

朱明瑞，曹廣斌等.工廠化水產養殖水體的 pH 值在線自動控制系統［J］.水產學報，2007（3）：335-342.