基于FPGA的水質(zhì)智能監(jiān)測子站系統(tǒng)

1、基于FPGA的水質(zhì)智能監(jiān)測子站系統(tǒng)王樂毅1，王 勇2（1. 青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）電子科學(xué)與技術(shù)系，山東 威海 264209）摘要：設(shè)計(jì)了一種以反熔絲數(shù)?；旌螰PGA系列FUSION為核心的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。通過嵌入8051 IP核完成子站的控制與數(shù)據(jù)處理。充分利用FUSION的特點(diǎn)與現(xiàn)代傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測的單芯片解決方案。對(duì)硬件電路和各參量算法做了介紹。實(shí)際調(diào)試結(jié)果表明，滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、河流污染等水質(zhì)監(jiān)測要求。關(guān)鍵詞：監(jiān)控；水質(zhì)；調(diào)理電路；8051 IP；FPGA中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A The subst

2、ation system of Intelligent monitoring of water quality based on FPGAWANG Le-yi1，WANG Yong2(1.College of Automation and Electronic Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042,China； 2.Department of Electronic Science & Technology,Harbin Institute of Technology,Weiha

3、i 264209,China）Abstract: Design a kind of anti-fuse FUSION series of FPGA as core of the water quality examine system. The substation with a imbeded 8051 IP core complates monitoring and data processing. Characteristics of FUSION and modern sensor technique that well makes use spread and carried out

4、 the single chip solution of water quality examination. Introduction to the hardware circuits and each parameter calculate ways. The real results of system testing satisfy the water quality monitors request of marine products farming industry and river to pollute etc. Key words：monitor; water qualit

5、y; adjustment circuit；8051 IP; FPGA如今，適用于海珍品育苗、養(yǎng)殖業(yè)的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)已成為世界各海洋國家增養(yǎng)殖業(yè)中水質(zhì)監(jiān)測的發(fā)展方向，同時(shí)水質(zhì)污染監(jiān)測也具有重大意義。這不僅能夠取代人工監(jiān)測，還能獲得連續(xù)數(shù)據(jù)12。目前世界上只有少數(shù)幾個(gè)國家推出具有自動(dòng)監(jiān)測功能水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)34， 現(xiàn)已建立的海洋養(yǎng)殖服務(wù)的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng),雖取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，但其售價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出個(gè)體養(yǎng)殖戶和小型企業(yè)的承受能力,。而國內(nèi)對(duì)于水質(zhì)要素的測量還只是以便攜式單機(jī)為主。針對(duì)當(dāng)前我國這方面的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種低成本、易操作、自給電能、穩(wěn)定性高的常規(guī)五參數(shù)（溫度、濁度、PH值、溶解氧、電

6、導(dǎo)率）自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)，有利于大規(guī)模普及，市場前景廣闊。1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案該系統(tǒng)由水質(zhì)檢測浮標(biāo)基站和上位機(jī)兩部分組成?；九c上位機(jī)之間通過433MHz射頻無線通訊，實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)的交換5 。如圖1。水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)基站由五路傳感器倉頭、信號(hào)調(diào)理電路、FUSION主控芯片、太陽能供電系統(tǒng)和無線傳輸模塊構(gòu)成。基站采用PH復(fù)合電極、散射光傳感器、溶解氧電極、鉑黑電導(dǎo)電極和18B20溫度傳感器采集水質(zhì)常規(guī)五參數(shù)原始信號(hào)。信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)放大和調(diào)零。放大后的信號(hào)送入FUSION平臺(tái)。該平臺(tái)通過SOPC技術(shù)構(gòu)建而成。調(diào)理信號(hào)送入收稿日期：2009-04-28作者簡介：王樂毅（1962-），男，副教授，工學(xué)

7、碩士.圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The system structure diagramFUSION內(nèi)部 ADC實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并由內(nèi)建8051核對(duì)其分析計(jì)算。另外，8051核通過內(nèi)部MOSFET控制電機(jī)將水中五合一傳感器探頭伸入水面。運(yùn)用內(nèi)部ADC的電流、電壓檢測工作模式實(shí)現(xiàn)太陽能蓄電池的管理。基站與上位機(jī)中心站之間通過433MHz頻段無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。中心站的工作人員通過上位機(jī)提供的信息獲取當(dāng)?shù)厮虻乃|(zhì)監(jiān)控信息，采取相應(yīng)措施。2 硬件電路與理論分析2.1 溶解氧測定本系統(tǒng)應(yīng)用原電池法(galvanic)溶氧電極DO952，它使用一對(duì)不同金屬材料的兩個(gè)電極浸沒在電解溶液中，反應(yīng)中氧

8、氣得到電子所產(chǎn)生的電流強(qiáng)度與氧氣的濃度成正比，以此測定溶解氧的含量。原電池電極在測量之前無需預(yù)熱就可對(duì)溶液中的溶解氧濃度改變作出快速響應(yīng)，系統(tǒng)只需4050秒就可以達(dá)到實(shí)際讀數(shù)的95。原電池法電極在校準(zhǔn)和維護(hù)上所需的時(shí)間相對(duì)較少。測量時(shí)將其放入待測溶液，水中溶解氧透過透氧膜，溶解于膜與電極之間的電解液薄層中，當(dāng)兩輸出端接上負(fù)載電路時(shí)，氧在陰極表面上發(fā)生還原反應(yīng)。對(duì)于結(jié)構(gòu)和透氧膜確定的傳感器而言，在一定溫度下，氧傳感器的電流只與試樣中的氧分壓成正比，因此，在兩極加上適當(dāng)?shù)娜与娮韬?測定電壓即可知氧濃度。溶解氧計(jì)算公式為:其中:為溫度補(bǔ)償函數(shù)傳感器測量電壓值 待測的氧濃度定標(biāo)時(shí)用碘量法確定的氧濃度

9、定標(biāo)時(shí)傳感器電壓測值 - 定標(biāo)溫度下的溫補(bǔ)函數(shù)值 為鹽度值定標(biāo)時(shí)的鹽度值考慮到傳感器輸出阻抗與零點(diǎn)漂移，運(yùn)用信號(hào)調(diào)理電路如下：圖2 溶解氧電極的信號(hào)調(diào)理電路Fig.2 The circuit of signal adjustment of fuse oxygen electrode2.2 PH測定PH復(fù)合電極的pH 值是由測量電極電位得到的。當(dāng)H 敏感電極和參比電極浸入被測溶液后，三者組成了一個(gè)化學(xué)電池,電極電位與溶液中氫離子活度的關(guān)系符合能斯特方程式: 式中:R 氣體常數(shù), 81314 焦耳/KF 法拉第常數(shù), 96500 厙侖/克T 絕對(duì)溫度根據(jù)pH 的定義, pH= - , 將其帶入能斯

10、特方程式可得下形式: 考慮到傳感器輸出阻抗與零點(diǎn)漂移，運(yùn)用信號(hào)調(diào)理電路如下：圖3 PH復(fù)合電極信號(hào)調(diào)理電路Fig.3 The circuit of signal adjustment of PH compound electrode2.3 電導(dǎo)率測定測量待測溶液電導(dǎo)的方法稱為電導(dǎo)分析法。電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)，因此電導(dǎo)值的測量，實(shí)際上是通過電阻值的測量再換算的，也就是說電導(dǎo)的測量方法應(yīng)該與電阻的測量方法相同。但在溶液電導(dǎo)的測定過程中，當(dāng)電流通過電極時(shí)，由于離子在電極上會(huì)發(fā)生放電，產(chǎn)生極化引起誤差，故測量電導(dǎo)時(shí)要使用頻率足夠高的交流電，以防止電解產(chǎn)物的產(chǎn)生?？紤]到DJS-1C器件極化誤差有限，我們在D

11、JS-1C鉑黑電導(dǎo)電極間通入直流信號(hào)。如下圖電路：圖4 電導(dǎo)率調(diào)理電路Fig.4 The circuit of signal adjustment of conductivity rate計(jì)算公式為：其中：G待測電導(dǎo)5V電壓測量電壓2.4 濁度測定濁度傳感器原理上是對(duì)散射光的強(qiáng)度進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過檢測光強(qiáng)確定濁度。由于濁度與傳感器輸出信號(hào)近似呈線性關(guān)系，我們對(duì)AD采集信號(hào)與濁度的關(guān)系進(jìn)行一組測量。然后由MATLAB進(jìn)行分析建立經(jīng)驗(yàn)公式：其中： y濁度 xAD電壓信號(hào)A、B、C、DMATLAB計(jì)算得出的常數(shù)濁度信號(hào)調(diào)理電路如下：圖5 濁度調(diào)理電路Fig.5 The circuit of sign

12、al adjustment of muddy degree2.5 溫度測定 采用1-wire型數(shù)字溫度傳感器18B20檢測溫度，測量溫度范圍為 -55°C+125°C，在-10+85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)Libero IDE環(huán)境下，運(yùn)用Smart Designer結(jié)合Verilog HDL語言建立8051軟核平臺(tái)。在Analog Builder下設(shè)置ADC為五路模擬電壓采集和一路電流采集工作模式，用

13、來采集四路水質(zhì)參數(shù)和蓄電池的電壓、電流參數(shù)。設(shè)置兩路MOSFET驅(qū)動(dòng)用于控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。運(yùn)用8051采集ADC數(shù)據(jù)處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)子站的控制管理。4 測試結(jié)果與誤差I(lǐng)QSensorNet是迄今為止最先進(jìn)、采用全新測試技術(shù)數(shù)字化的在線監(jiān)測系統(tǒng)。采用IQ Sensor Net在線監(jiān)測儀器對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。針對(duì)不同配比水樣測試，得到如下比較數(shù)據(jù)：水樣溶解氧電導(dǎo)率PH值溫度濁度x1x2x3x4x53.4%0.4%3.5%2.9%0.7%1.0%2.8%0.69%2.0%0.9%1.9%3.2%1.6%3.6%0.5%1.8%0.5%0.4%0.5%0.7%3.5%2.1%3. 7%0.8%3

14、.0%5 結(jié) 論測量結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)于溶氧量、PH值和濁度測量誤差波動(dòng)較大，但仍在可接受范圍內(nèi)。電導(dǎo)率與溫度測量精確度較高。參 考 文 獻(xiàn)1 唐慧強(qiáng).基于GPRS的水情自動(dòng)測報(bào)儀J.儀表技術(shù)與傳感器,2008（1）:74-76.2 祁亨年.基于Web的廣域污染源水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)研究J.儀器儀表學(xué)報(bào).2008（1）:120-123.3 Mogheir Y,Singh V P. Application of information theory to groundwater quality monitoring networks J.Journal of Water Resources Management, 2002，16：3749.4 Karamouz M., Maksimovic. Design of karoon water quality monitoring system and bid evaluation assistanceC.The Worl