基于電力線載波通信的pH值監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李水明

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子技術(shù)學(xué)院，廣西柳州，545006）

基于電力線載波通信的pH值監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李水明

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子技術(shù)學(xué)院，廣西柳州，545006）

針對目前pH值監(jiān)測采用傳統(tǒng)的通信方式局限性，提出利用電力線載波技術(shù)傳輸pH值數(shù)據(jù)。本監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)通過電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示，實(shí)現(xiàn)對pH值的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

電力線載波；pH值；監(jiān)測

0　引言

pH值檢測被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)業(yè)、制藥等領(lǐng)域。例如造紙業(yè)的廢水處理需要實(shí)時(shí)檢測污水的pH值并進(jìn)行相應(yīng)處理；水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)適合魚類生長水體pH值范圍為6.5~8.5。目前，傳統(tǒng)的pH值檢測數(shù)據(jù)傳輸主要通過雙絞線、光纖、無線等方式傳輸數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的有線傳輸方式需要鋪設(shè)專用的通信線路增加了建造成本。若采用無線方式傳輸數(shù)據(jù)則受建筑物墻體等環(huán)境影響較大，造成數(shù)據(jù)丟失。針對上述問題，本檢測系統(tǒng)采用電力線載波通信技術(shù)，利用廣泛存在的電力輸電線路作為媒介來傳輸pH值數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)監(jiān)測的系統(tǒng)，用戶可在上位機(jī)PC端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看各個(gè)檢測點(diǎn)的pH值，設(shè)定pH值的范圍，若超過設(shè)定的范圍則報(bào)警提醒。系統(tǒng)的下位機(jī)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(jiān)測系統(tǒng)利用電力輸電線路作為數(shù)據(jù)傳輸通道，免除鋪設(shè)專用通信線路的成本；下位機(jī)采集終端只需要連接上電力輸電線即可組網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通信實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。本pH值監(jiān)測系統(tǒng)具有即插即用安裝方便、建造成本低、受環(huán)境影響小、多點(diǎn)監(jiān)測、容易維護(hù)等特點(diǎn)。

圖1　pH值監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

1　pH值監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本pH值監(jiān)測系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。上位機(jī)顯示終端實(shí)時(shí)接收和顯示pH值數(shù)據(jù)，同時(shí)將pH值數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，方便日后查看。下位機(jī)利用LPC2103微處理器作為控制核心通過A/D轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)讀取傳感器的電壓值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的酸堿度值發(fā)送到電力線載波模塊上，電力線載波模塊通過將pH值數(shù)據(jù)調(diào)制后發(fā)送到電力輸電線上。上位機(jī)監(jiān)測顯示端通過電力線載波模塊從電力線上耦合和解調(diào)出pH值數(shù)據(jù)，然后通過串口傳送到PC端顯示。pH值監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

2　pH值監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1LPC2103控制核心模塊。酸堿度監(jiān)測系統(tǒng)下位機(jī)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(nèi)核架構(gòu)，速率高達(dá)70 MHz，包含8路的10位的A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)UART接口、32個(gè)通用I/O口。LPC2103作為下位機(jī)控制核心負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)讀取pH值模塊的電壓值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的pH值和將數(shù)據(jù)發(fā)送到電力線載波通信模塊上。LPC2103利用高速A/D轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)從pH電極獲取酸堿度電壓值。

2.2pH值采集模塊。本監(jiān)測系統(tǒng)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(xué)反應(yīng)將液體的酸堿度轉(zhuǎn)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(yùn)放將pH電極信號(hào)放大到LPC2103能檢測的范圍。

溫度影響電極的輸出信號(hào)電壓值。在同一pH值的溶液中，不同溫度時(shí)，檢測電極輸出的不同的信號(hào)電壓。本pH值監(jiān)測系統(tǒng)采用DS18B20作為溫度檢測傳感器，對讀取的電極的輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3電力線載波通信模塊。本pH值監(jiān)測系統(tǒng)的酸堿度數(shù)據(jù)傳輸采用電力輸電線作為傳輸通道。下位機(jī)LPC2103處理器讀取pH值數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到電力線載波通信模塊上。本監(jiān)測系統(tǒng)采用科強(qiáng)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(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)、通信速度快等特點(diǎn)。在不添加通信中繼情況下，通信距離可達(dá)1500m。KQ-130F模塊內(nèi)部已集成了信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)、濾波等電路，采用該模塊構(gòu)建電力線通信模塊能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通信速率。下位機(jī)LPC2103控制核心與KQ-130F電力線載波模塊通過串口進(jìn)行通信，波特率為9600bps。

本系統(tǒng)的上位機(jī)與下位機(jī)通信協(xié)議格式為：數(shù)據(jù)/指令+地址碼+數(shù)據(jù)+CRC校驗(yàn)。上位機(jī)與下位機(jī)通信采用應(yīng)答模式，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送pH采集指令碼時(shí)，對應(yīng)的地址編號(hào)的下位機(jī)接收到發(fā)送數(shù)據(jù)的命令后向上位機(jī)發(fā)送pH值數(shù)據(jù)。

3　pH值監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本pH值監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)在PC機(jī)window系統(tǒng)上運(yùn)行，應(yīng)用程序由Microsoft公司推出的Visual Studio 2012集成開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建。上位機(jī)接收顯示程序采用c#進(jìn)行開發(fā)和數(shù)據(jù)庫采用SQL server 2008管理系統(tǒng)對pH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢進(jìn)行管理。本監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)負(fù)責(zé)接收、顯示、保存數(shù)據(jù)等功能。電力線通信模塊從電力輸電線上耦合到載波數(shù)據(jù)經(jīng)過放大和解調(diào)出pH值數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC機(jī)上顯示。上位機(jī)應(yīng)用程序采用輪詢應(yīng)答方式采集數(shù)據(jù)。本監(jiān)測系統(tǒng)每個(gè)下位機(jī)都設(shè)定固定的地址，上位機(jī)發(fā)送讀取pH值指令，對應(yīng)地址的下位機(jī)開始響應(yīng)返回液體的pH值數(shù)據(jù)。

4　系統(tǒng)測試

本pH值監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)應(yīng)用程序在PC機(jī)上運(yùn)行采用window7系統(tǒng)。每個(gè)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集終端設(shè)置固定的地址編號(hào)，地址由兩位十六進(jìn)制數(shù)組成起始地址為：0X00 0X01，多個(gè)下位機(jī)依次增加。上位機(jī)每個(gè)1s輪詢一遍所有下位機(jī)的pH值，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)采集點(diǎn)的pH值。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)穩(wěn)定顯示各個(gè)采集點(diǎn)的溶液pH值，采集的數(shù)據(jù)誤差在合理范圍內(nèi)。pH值監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)操作界面如圖2所示。

5　結(jié)論

基于電力線載波pH監(jiān)測系統(tǒng)利用電力線作為數(shù)據(jù)傳輸媒介，只要有電線的地方即可組網(wǎng)通信，節(jié)省架設(shè)專用通信線路的成本，受環(huán)境制約較少，實(shí)用性較強(qiáng)。用戶通過PC端上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)檢測點(diǎn)的pH值。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)生產(chǎn)成本低、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)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(jī)器人。

圖2pH值檢測系統(tǒng)上位機(jī)操作界面

2016年度廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（KY2016YB760）、2015年校級(jí)立項(xiàng)課題（2015-C21）

朱明瑞，曹廣斌等.工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水體的 pH 值在線自動(dòng)控制系統(tǒng)［J］.水產(chǎn)學(xué)報(bào)，2007（3）：335-342.