一種水處理設備臭氧濃度遠程監控系統的設計

孫鵬（通信作者），唐永鑫，邵振興

山東威高宏瑞醫學科技有限公司（山東威海 264200）

據調查統計，2019年，我國有超過300萬的尿毒癥患者，其中71萬已接受血液透析治療，并預計到2030年，我國接受血液透析治療的患者數將突破400萬[1]。血液透析作為現階段臨床治療腎衰竭、尿毒癥患者最可靠、最有效的方法，其治療效果直接決定著患者的身體健康和生命質量。而在血液透析治療過程中，透析用水的質量尤為重要，其直接影響透析治療的效果，因此，做好對透析用水的日常消毒工作尤為重要。

在信息化時代背景下，智能化遠程監控在不同行業領域中的重要性不斷顯現。本研究設計了一種水處理設備臭氧濃度遠程監控系統，其可將互聯網技術與水處理設備相連接，實現實時信息交流及對水處理設備的智能化監控和管理，使操作人員可以隨時了解設備的運行情況，安全、及時地處理潛在的風險，全面提升水處理設備的綜合性能。

1 系統組成

本研究設計的水處理設備臭氧濃度遠程監控系統主要包括制水部分、消毒部分及控制部分。其中，制水部分主要包含前級過濾器、樹脂軟水器、活性炭過濾器、反滲透裝置及管道和存儲水箱。消毒部分采用的是臭氧消毒的方式，臭氧比一般含氯消毒劑更容易作用到生物膜，具有快捷、高效、穩定、無二次污染等特點；臭氧殺菌是利用氧原子的氧化作用，破壞生物膜的結構，以實現殺菌的效果，其殺菌速度快，適用于不銹鋼或聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）管路，對于含有0.2～0.5 mg/L 臭氧濃度的純水，一般可在10 min 內殺死細菌和病毒，而在更高的濃度和更長的作用時間下，可清除內毒素[2]；但是，含有臭氧的水對人體有害，我們可通過紫外線照射或加熱到30 ℃以上的方法消除水中的殘余臭氧，本設計提供了一種遠程監控水處理設備臭氧濃度的方法，通過采用加熱的方式消除多余的臭氧，可防止操作人員受到臭氧的傷害。控制部分主要包括現場傳感器及控制器等裝置，工程師可以隨時遠程訪問現場設備，監控水處理設備的運行情況，了解制水及臭氧消毒過程，并對相關的泵與閥門進行啟停等操作；該系統具備的報警短信功能可以將臭氧的濃度信息和設備故障信息隨時發給工程師，避免故障處理時間上的延誤。

2 系統的硬件設計

該系統的硬件組成包括現場設備端的數據采集系統、數據傳輸系統及控制系統三部分（圖1）。其中，數據采集系統由臭氧濃度傳感器、模數轉換電路及電源電路、通信接口等外圍電路構成，用于收集現場的臭氧濃度，以及將模擬量狀態信號轉變為數字量信號。數據傳輸系統基于通用分組無線服務（general packet radio service，GPRS）和WIFI 技術設計，用于控制系統與客戶終端的信息交互，其中GPRS 網絡基于通信運營商的基站運行，信號覆蓋范圍極大；WIFI 模塊的數據傳輸速率快，實時性好，可支持復雜的信號交互；系統的輸入節點用于對接傳感器等檢測裝置，輸出節點則可輸出高速數字量、模擬量等控制信號，對接泵及閥門等執行裝置。控制系統分為現場控制與客戶端控制兩部分，其中現場控制在先進精簡指令集計算機裝置（advanced RISC machines，ARM）的基礎上實現，集成Linux 系統，具有代碼質量高、支持硬件和通信協議范圍廣等特點；客戶端控制基于VB6.0圖形界面設計。

圖1 系統的硬件組成

2.1 數據采集系統

臭氧濃度傳感器選擇煒盛公司的MQ131模塊，用二氧化錫作氣敏元件，產品的電導率和空氣中的臭氧濃度成正相關。該傳感器供電電壓是5 V，由于其自身的輸出電壓只有20 mV，因此輸出端需要接電壓放大器，本設計選擇LM224A 運算放大器，放大倍數是100倍。臭氧濃度傳感器的部分電路設計見圖2。

圖2 臭氧濃度傳感器的部分電路設計

本設計將AD7190作為模數轉換器，其是零延遲、具有高分辨力且多路復用的24位Σ-Δ 型模數轉換器[3]，因為控制器采用3.3 V 電源，所以數字電源也采用3.3 V 電源供電；片內集成可直接用的4.92 MHz 時鐘，無需額外的晶振，AD7190功耗為4.35 mA。

2.2 數據傳輸系統

本設計采用性價比較高的嵌入式系統為核心，通過WIFI 和GPRS 技術連接現場設備和遠程用戶端，成本低，時效性強，且能更好地利用5G 技術的優勢。

GPRS 以封包的形式傳輸數據，信道資源利用率高、數據傳輸速率快，屬于第二代移動通信中的數據傳輸技術。本設計將SMIMCOM 公司的SIM-100作為GPRS 通信模塊，集成了完整的射頻電路和全球移動通信系統（global system of mobile communication，GSM）的基帶處理器，屬于GSM/GPRS 雙頻模塊，主要為語音傳輸、短消息和數據業務提供無線接口，可以將設備的狀態以信息的方式實時發送給手機終端[4]。該模塊需兩路電源：4.2 V 為音頻電路供電；3.0 V 為VDD_EVT 引腳供電，保證模塊與外部電路接口的電平匹配。SIM-100電源的電路設計見圖3。

圖3 SIM-100電源的電路設計

本設計將海凌科的HLKM30作為WIFI 通信模塊，可以支持802.11n、g 和b 3種無線傳輸標準，有14個通信信道，天線式傳輸速度可達300 m 的距離，在一般的工業現場都可以滿足要求；模塊內嵌傳輸控制協議/網際協議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP），支持全雙工通信模式，實時性好，當提高微控制單元（microcontroller unit，MCU）和WIFI 模塊之間的時鐘頻率時，即可增加數據發送和接受的速度[5]。HLKM30的接線電路見圖4。

圖4 HLKM30的接線電路

2.3 控制系統

本設計將三星公司的S3C2440A 芯片作為控制芯片，其基于ARM920T 核心，具有獨立的16 kB 指令高速緩存和16 kB 數據高速緩存，最高工作頻率可達400 MHz[6]；集成的外設包括內部8通道10位AD、130個通用IO 口、LCD 控制器、SPI 接口、IIS 接口、USB 接口、以太網接口及脈寬調制等，同時可支持60個中斷，并支持WinCE、Linux 等操作系統。

本設計將德州儀器公司的TLC5615C 作為D/A 轉換芯片，ARM 的數字量信號通過其可轉化為模擬量信號，用于控制可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）的IO點或繼電器，從而實現對設備的控制；其是3線串口型D/A 芯片，輸出5 V 電壓，上電時內部自動復位，功耗為1.75 mW，轉換速率為1.21 MHz。信號驅動電路的設計見圖5。

圖5 信號驅動電路的設計

另外，本設計在ARM 上安裝Linux 操作系統，并對傳感器采集程序、GPRS 通信程序、WIFI 通信程序、報警程序和存儲等程序模塊的任務函數進行編寫，且Linux 操作系統可調度全部任務函數。

3 系統的軟件設計

3.1 Linux 系統的設計

Linux 是一種免費的、支持多任務及多線程的操作系統，硬件設備的各種信息通過該系統轉化成文件的形式，只需對該文件進行操作即可操作對應的設備。開發過程如下：下載免費開源的Linux 內核源代碼Linux-2.6.39.4；通過編譯器修改根目錄下“Makefile”文件配置內核，被設計使用makemenuconfig 方式。其特點是采用文本模式的圖形用界面，操作性較好；將編譯好的內核映像zImage 燒寫到開發板。

3.2 GPRS 的軟件實現

本設計中GPRS 模塊通過UART1串口與ARM處理器進行通信，通過AT 指令操作該模塊。首先進行串口的初始化：調用tcgetattr 函數讀取終端的串口設置參數，并將該設置信息交給termios 存儲；再調用tcsetattr 函數重新設置串口屬性，如波特率等信息，完成串口初始化任務。部分程序如下：

由于AT 指令是以二進制格式編寫，日常手機收發的短信則是采用PDU 模式編寫，因此兩者之間必須進行格式轉換[7]，即當發送信息時，需要將文本信息轉換成Unicode 碼，再轉換成PDU 的16bit 編碼，GPRS 模塊通過PDU 模式發送和接收短消息。部分程序如下：

3.3 WIFI 的軟件實現

本設計采用手機/電腦等通過WIFI 無線網絡與控制器通信，采用傳統C/S 結構，建立基于TCP協議Socket 連接，控制器能夠接收客戶終端的指令并執行。

本設計采用基于TCP 協議的流式Socket 通信類型，其實際上是一種“open-write/read-close”的工作模式，有許多函數或例程可以直接用來開發，其中，函數調用Socket（）用來建立連接和傳輸數據。部分程序如下：

4 系統的應用效果

GPRS 的主要功能是實時傳輸報警信息，加之SIM-100模塊的VDD_EVT 引腳有3.0 V 的模擬量信號，當S3C2440A 感應到臭氧濃度超標時，該系統即可將報警短信發送給指定號碼的手機終端。經試驗，該方案滿足設計要求。

WIFI 的主要功能是實時傳輸現場設備的狀態信息，實時性較好，克服了物理條件的制約。工程師可通過手機或電腦連接水處理設備的S3C2440A控制器，當手持客戶端對設備的臭氧發生器和消除臭氧的加熱器進行啟動/停止操作時，TLC5615C模塊將數字量信號轉換為現場設備運行所需的模擬量信號，從而完成系統的遠程監控。經試驗，該方案滿足設計要求。

另外，在使用MQ131傳感器前應對其進行檢驗校正流程，因為該傳感器長期工作在具有一定腐蝕性的環境中，在使用中需要定期進行校正，如必要，可通過軟件方式對信號進行濾波等處理，以提高數據的精度。

5 小結

隨著高質量血液透析需求的不斷增加，廣大患者對水處理設備的產水純度要求越來越高，臭氧消毒等新型、高效的消毒方式亦受到越來越多的重視。為了在做好消毒工作的同時保護人員和環境的安全，本設計提出的臭氧濃度遠程監控系統有一定的實踐意義，不僅實現了對臭氧濃度的實時監測，而且通過遠程的方式實現了對該系統的監控，避免操作人員受到臭氧的傷害，若在該系統的基礎上增加其他的水質指標監控傳感器，則可能實現更豐富的功能，為水質滿足透析用水的要求提供進一步的保障。