無線傳感網絡技術包括以各種無線方式實現的各種網絡數據交換的技術。它可以實現包括物聯網在內的無線數據傳輸網絡，具有非常廣泛的應用前景，如智能家居、環(huán)境監(jiān)測、城市安防、醫(yī)療衛(wèi)生等，可以說無線傳感技術的發(fā)展在很大程度上促進了各行業(yè)信息的交流。

    糖廠清汁pH值控制效果的好壞直接影響蔗汁的沉降澄清效果、糖分回收和后續(xù)工段設備積垢問題[1]。這些pH參數基本上都需要在線監(jiān)測，測量點距離監(jiān)控室都有很長一段距離，短的幾十米，長則數百米。
    在澄清工段數據的傳輸方式上，現在基本上都是采用線纜傳輸方式。這樣就需要布置很復雜的線路，增加投入的成本。另一方面系統(tǒng)的擴展性會受到很大程度的限制，當需要增加新的設備時，就需要重新布線，施工比較麻煩，而且很有可能破壞原來的線路。在維護性方面，有線傳輸的線路需要沿線巡查，出現故障時很難在短時間找出故障點。
　    如果采用無線傳感網絡技術對糖廠澄清工段的pH測量數據進行傳輸將會改善上述問題。(1)采用無線傳輸可以省去布線的麻煩。(2)增加新的設備時，只需要增加一個傳輸節(jié)點，無需改動原來線路，就能將新設備添加到原來的網絡。(3)無線傳輸只需要維護傳輸模塊，出現故障時可以很快找出原因。
1 系統(tǒng)的總體設計
    本設計使用的核心控制器是MSP430F148，該控制器是TI公司生產的低功耗16位單片機,其內部集成48 KB的Flash存儲器、2 KB的RAM、8路12位ADC、SPI接口等豐富的片上資源。pH測量部分采用的是傳統(tǒng)的玻璃電極，配合一定的放大電路。考慮到pH 的測量是在一定溫度下進行，所以本設計增加了溫度的測量模塊，采用的器件為PT100?？紤]到設計的周期，本設計使用的是無線模塊LSDRF2401N05，這是國內一家企業(yè)利用德州儀器公司生產的CC2500無線芯片開發(fā)的一款針對無線傳感網絡解決方案的模塊。系統(tǒng)的整體原理圖如圖1所示，測量節(jié)點框圖如圖2所示，中間節(jié)點框圖如圖3所示。

2 硬件實現
2.1 pH測量模塊
    工業(yè)上進行pH測量時一般采用玻璃電極或是復合電極。在國內糖廠澄清工段pH值的測量大多使用玻璃電極[2]。這類電極在酸性溶液中會輸出正電壓，在堿性溶液中會輸出負電壓。pH每變化一個單位，輸出電壓就變化57 mV左右[3]。由于輸出不算太大，需要對其放大。但是這一類電極的輸出阻抗都特別高，一般在1013 Ω以上。如果選用一般的運算放大器，阻抗會不匹配，也就不能完成放大的功能。另一方面由于輸出電壓很小而輸出阻抗又很高，所以很容易產生干擾，特別是工頻干擾會很嚴重。
　　綜合以上問題,本設計選用的運算放大器型號是OPA129，這是TI公司生產的一款高輸入阻抗的運算放大器，輸入阻抗可以達到1013 ~1015 Ω。OPA129主要用在高輸出阻抗傳感器件的前置放大電路中。而對于信號的干擾問題所用的解決方法是在電路中增加屏蔽環(huán)、良好接地和合理選擇濾波電容。玻璃電極與OPA129組成的前端放大電路原理圖如圖4所示。

    MSP430F148單片機為3.3 V供電，而且其自帶A/D的參考電壓最大也是3.3 V。而前端放大電路電源電壓為±5 V，輸出電壓也在這個范圍內變化，如果直接將電壓送入A/D進行轉換，一方面有可能會超出A/D的測量范圍，從而使得A/D轉換的值不準確；另一方面當pH為堿性時，玻璃電極輸出負電壓，而前端放大環(huán)節(jié)采用的是同相放大電路,故輸出的也是負電壓,但是MSP430單片機自帶的A/D不能直接對負電壓采樣轉換。
    綜合考慮以上兩個方面的原因，本設計先將前端放大電路的輸出信號同比例縮小到-1.5 V~+1.5 V，再將電壓抬升到0~3.0 V，然后送入A/D采樣。電路的實現如圖5所示。

2.3 無線模塊
    本設計中無線部分采用的是無線模塊LSDRF2401N05，模塊的核心芯片是CC2500。
    CC2500是一款低成本單片的2.4 GHz無線收發(fā)芯片。CC2500工作在2 400~2 483.5 MHz的ISM頻段，并且提供數據包處理、連接質量指示和電磁波激發(fā)的硬件支持。只需要很少的外部器件就能工作。采用20腳的QLP封裝，在很大程度上減小了芯片的尺寸。
    此外還有以下特點，高靈敏度、低電流消耗、高效的SPI接口、RSSI、數據自動白化處理等。CC2500典型的電路圖如圖7所示。

2.4 單片機核心模塊
    單片機核心部分采用的是MSP430單片機典型的最小系統(tǒng)，包括復位電路、電源、JTAG接口、晶振、RS232、RTC等部分。其結構框圖如圖8所示。
3 軟件實現
3.1 固件實現
    固件是指在單片機中執(zhí)行的程序，由于硬件分為中間站點和測量站點，功能不相同，所以固件也不相同。中間站點主要功能是完成液晶、無線模塊初始化，從串口接收命令并將命令打包后通過無線模塊發(fā)送到測量站點，從測量站點接收測量數據并發(fā)送到上位機。測量站點的主要功能是接收中間站點發(fā)送的無線指令，根據指令進行pH、溫度的測量，測量完成后將測量數據打包發(fā)送到中間站點，并等待下一條命令。中間站點的程序流程圖如圖9所示，測量站點的程序流程圖如圖10所示。

3.2 上位機軟件實現
    上位機軟件主要實現的功能是實時顯示測量點的pH和溫度的變化，記錄pH和溫度，顯示pH和溫度的變化曲線。本設計上位機開發(fā)環(huán)境使用的是VS2005。對于需要開發(fā)圖形界面的項目來說，VS2005可以在短時間內構建出需要的界面。串口通信環(huán)節(jié)使用的是串口控件，可以很快實現串口的接收和發(fā)送。
4 結果驗證
4.1 pH測量標定
    由于運放存在溫漂，另外由于現場噪聲的存在，輸出的信號量不可能和理論的計算完全一致，尤其在本設計中，由于pH傳感器的輸出阻抗很高，很容易被噪聲干擾，所以一般在使用pH測量裝置之前首先要對pH測量裝置進行標定，本設計也不例外。標定的方法是，將pH探頭放入標準的緩沖溶液中，記下pH和穩(wěn)定時的輸出電壓。然后再放入另一標準緩沖溶液中，待讀取的電壓數值穩(wěn)定后，記下pH和輸出電壓。之后計算出斜率，得出pH和輸出電壓的關系，就可以使用。在本設計中當pH=9.18時，Vout=0.493 V；當pH=4.00時，Vout=3.210 V；可以計算出pH和輸出電壓Vout的關系：pH=10.12-1.906 2×Vout。把pH探頭放到pH=6.86的磷酸鹽混合溶液中，得到Vout=1.699 V，由此計算出pH=6.88，和實際值相差很小。
4.2 pH值響應時間分析
　　將pH探頭由pH=9.18的四硼酸鈉溶液中取出，放入pH=4.00的鄰苯二甲酸氫鉀溶液中，其響應隨時間的變化如圖11、圖12所示。圖中一個格表示1.0 s。由圖11可以看到經過6~9 s就可以達到穩(wěn)定值。由圖12可以看到經過6~8 s就可以達到穩(wěn)定的數值。

4.3 無線距離測試
    當中間節(jié)點和測量站點距離較長時，收到信號的強度就會有一定程度的衰減,所以需要測試無線的通信距離。中間站點在室內，測量站點在室外。當兩者相距大約40 m時。信號強度從CC2500的RSSI寄存器讀取經轉化范圍為0~255，在這個范圍內等距離分5個點，可以看到這時的信號強度有2個格。轉化成百分數就是20%~40%的范圍。這個距離足夠滿足一般測量要求。如果范圍再遠可以適當地增加中繼站環(huán)節(jié)，或者使用鞭狀天線以提高發(fā)射距離。
    通過上述實驗結果可以看到，采用OPA129運放可以提高測量pH的抗干擾能力和穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)的響應時間。
    采用無線傳輸pH數據，可以節(jié)省成本，提高了系統(tǒng)擴展性能。在距離不是很遠的通信中，使用板載PCB天線可以從很大程度上減小電路板的面積。由于通信環(huán)節(jié)使用的是模塊化的設計，避免了有線傳輸形式的沿線檢查，使得出現問題時很容易查找。
參考文獻
[1] 宋紹劍，安治國，宋春寧,等.基于S3C44B0的糖廠pH值控制器的設計[J].計算機信息，2008,12(2):169-171.
[2] 蔣小慶.基于VxWorks的糖廠澄清工段pH值控制器設計[D].南寧：廣西大學，2009.
[3] 蔣小慶,宋春寧,彭真.VxWorks在糖廠pH值監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].裝備制造技術,2009(5):89-89.