無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括以各種無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)的各種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的技術(shù)。它可以實(shí)現(xiàn)包括物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，如智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市安防、醫(yī)療衛(wèi)生等，可以說(shuō)無(wú)線傳感技術(shù)的發(fā)展在很大程度上促進(jìn)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(shè)備積垢問(wèn)題[1]。這些pH參數(shù)基本上都需要在線監(jiān)測(cè)，測(cè)量點(diǎn)距離監(jiān)控室都有很長(zhǎng)一段距離，短的幾十米，長(zhǎng)則數(shù)百米。
    在澄清工段數(shù)據(jù)的傳輸方式上，現(xiàn)在基本上都是采用線纜傳輸方式。這樣就需要布置很復(fù)雜的線路，增加投入的成本。另一方面系統(tǒng)的擴(kuò)展性會(huì)受到很大程度的限制，當(dāng)需要增加新的設(shè)備時(shí)，就需要重新布線，施工比較麻煩，而且很有可能破壞原來(lái)的線路。在維護(hù)性方面，有線傳輸?shù)木€路需要沿線巡查，出現(xiàn)故障時(shí)很難在短時(shí)間找出故障點(diǎn)。
　    如果采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)糖廠澄清工段的pH測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸將會(huì)改善上述問(wèn)題。(1)采用無(wú)線傳輸可以省去布線的麻煩。(2)增加新的設(shè)備時(shí)，只需要增加一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)，無(wú)需改動(dòng)原來(lái)線路，就能將新設(shè)備添加到原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)。(3)無(wú)線傳輸只需要維護(hù)傳輸模塊，出現(xiàn)故障時(shí)可以很快找出原因。
1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)使用的核心控制器是MSP430F148，該控制器是TI公司生產(chǎn)的低功耗16位單片機(jī),其內(nèi)部集成48 KB的Flash存儲(chǔ)器、2 KB的RAM、8路12位ADC、SPI接口等豐富的片上資源。pH測(cè)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(cè)量是在一定溫度下進(jìn)行，所以本設(shè)計(jì)增加了溫度的測(cè)量模塊，采用的器件為PT100?？紤]到設(shè)計(jì)的周期，本設(shè)計(jì)使用的是無(wú)線模塊LSDRF2401N05，這是國(guó)內(nèi)一家企業(yè)利用德州儀器公司生產(chǎn)的CC2500無(wú)線芯片開(kāi)發(fā)的一款針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)解決方案的模塊。系統(tǒng)的整體原理圖如圖1所示，測(cè)量節(jié)點(diǎn)框圖如圖2所示，中間節(jié)點(diǎn)框圖如圖3所示。

2 硬件實(shí)現(xiàn)
2.1 pH測(cè)量模塊
    工業(yè)上進(jìn)行pH測(cè)量時(shí)一般采用玻璃電極或是復(fù)合電極。在國(guó)內(nèi)糖廠澄清工段pH值的測(cè)量大多使用玻璃電極[2]。這類電極在酸性溶液中會(huì)輸出正電壓，在堿性溶液中會(huì)輸出負(fù)電壓。pH每變化一個(gè)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(duì)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(yùn)算放大器，阻抗會(huì)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(chǎn)生干擾，特別是工頻干擾會(huì)很嚴(yán)重。
　　綜合以上問(wèn)題,本設(shè)計(jì)選用的運(yùn)算放大器型號(hào)是OPA129，這是TI公司生產(chǎn)的一款高輸入阻抗的運(yùn)算放大器，輸入阻抗可以達(dá)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(duì)于信號(hào)的干擾問(wèn)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(jī)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(gè)范圍內(nèi)變化，如果直接將電壓送入A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，一方面有可能會(huì)超出A/D的測(cè)量范圍，從而使得A/D轉(zhuǎn)換的值不準(zhǔn)確；另一方面當(dāng)pH為堿性時(shí)，玻璃電極輸出負(fù)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(fù)電壓,但是MSP430單片機(jī)自帶的A/D不能直接對(duì)負(fù)電壓采樣轉(zhuǎn)換。
    綜合考慮以上兩個(gè)方面的原因，本設(shè)計(jì)先將前端放大電路的輸出信號(hào)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(shí)現(xiàn)如圖5所示。

2.3 無(wú)線模塊
    本設(shè)計(jì)中無(wú)線部分采用的是無(wú)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(wú)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(shù)據(jù)包處理、連接質(zhì)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(diǎn)，高靈敏度、低電流消耗、高效的SPI接口、RSSI、數(shù)據(jù)自動(dòng)白化處理等。CC2500典型的電路圖如圖7所示。

2.4 單片機(jī)核心模塊
    單片機(jī)核心部分采用的是MSP430單片機(jī)典型的最小系統(tǒng)，包括復(fù)位電路、電源、JTAG接口、晶振、RS232、RTC等部分。其結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。
3 軟件實(shí)現(xiàn)
3.1 固件實(shí)現(xiàn)
    固件是指在單片機(jī)中執(zhí)行的程序，由于硬件分為中間站點(diǎn)和測(cè)量站點(diǎn)，功能不相同，所以固件也不相同。中間站點(diǎn)主要功能是完成液晶、無(wú)線模塊初始化，從串口接收命令并將命令打包后通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送到測(cè)量站點(diǎn)，從測(cè)量站點(diǎn)接收測(cè)量數(shù)據(jù)并發(fā)送到上位機(jī)。測(cè)量站點(diǎn)的主要功能是接收中間站點(diǎn)發(fā)送的無(wú)線指令，根據(jù)指令進(jìn)行pH、溫度的測(cè)量，測(cè)量完成后將測(cè)量數(shù)據(jù)打包發(fā)送到中間站點(diǎn)，并等待下一條命令。中間站點(diǎn)的程序流程圖如圖9所示，測(cè)量站點(diǎn)的程序流程圖如圖10所示。

3.2 上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)
    上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)時(shí)顯示測(cè)量點(diǎn)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(shè)計(jì)上位機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境使用的是VS2005。對(duì)于需要開(kāi)發(fā)圖形界面的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，VS2005可以在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)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(shí)現(xiàn)串口的接收和發(fā)送。
4 結(jié)果驗(yàn)證
4.1 pH測(cè)量標(biāo)定
    由于運(yùn)放存在溫漂，另外由于現(xiàn)場(chǎng)噪聲的存在，輸出的信號(hào)量不可能和理論的計(jì)算完全一致，尤其在本設(shè)計(jì)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(cè)量裝置之前首先要對(duì)pH測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定，本設(shè)計(jì)也不例外。標(biāo)定的方法是，將pH探頭放入標(biāo)準(zhǔn)的緩沖溶液中，記下pH和穩(wěn)定時(shí)的輸出電壓。然后再放入另一標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液中，待讀取的電壓數(shù)值穩(wěn)定后，記下pH和輸出電壓。之后計(jì)算出斜率，得出pH和輸出電壓的關(guān)系，就可以使用。在本設(shè)計(jì)中當(dāng)pH=9.18時(shí)，Vout=0.493 V；當(dāng)pH=4.00時(shí)，Vout=3.210 V；可以計(jì)算出pH和輸出電壓Vout的關(guān)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(jì)算出pH=6.88，和實(shí)際值相差很小。
4.2 pH值響應(yīng)時(shí)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(yīng)隨時(shí)間的變化如圖11、圖12所示。圖中一個(gè)格表示1.0 s。由圖11可以看到經(jīng)過(guò)6~9 s就可以達(dá)到穩(wěn)定值。由圖12可以看到經(jīng)過(guò)6~8 s就可以達(dá)到穩(wěn)定的數(shù)值。

4.3 無(wú)線距離測(cè)試
    當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)和測(cè)量站點(diǎn)距離較長(zhǎng)時(shí)，收到信號(hào)的強(qiáng)度就會(huì)有一定程度的衰減,所以需要測(cè)試無(wú)線的通信距離。中間站點(diǎn)在室內(nèi)，測(cè)量站點(diǎn)在室外。當(dāng)兩者相距大約40 m時(shí)。信號(hào)強(qiáng)度從CC2500的RSSI寄存器讀取經(jīng)轉(zhuǎn)化范圍為0~255，在這個(gè)范圍內(nèi)等距離分5個(gè)點(diǎn)，可以看到這時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度有2個(gè)格。轉(zhuǎn)化成百分?jǐn)?shù)就是20%~40%的范圍。這個(gè)距離足夠滿足一般測(cè)量要求。如果范圍再遠(yuǎn)可以適當(dāng)?shù)卦黾又欣^站環(huán)節(jié)，或者使用鞭狀天線以提高發(fā)射距離。
    通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，采用OPA129運(yùn)放可以提高測(cè)量pH的抗干擾能力和穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。
    采用無(wú)線傳輸pH數(shù)據(jù)，可以節(jié)省成本，提高了系統(tǒng)擴(kuò)展性能。在距離不是很遠(yuǎn)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(shè)計(jì)，避免了有線傳輸形式的沿線檢查，使得出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)很容易查找。
參考文獻(xiàn)
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