飲料生產、制藥廠、廢水處理廠等多個行業依靠水質監測系統來測量和控制重要的水質指標。定義水的物理、化學和生物特性的參數可用作水質指標。示例包括：

物理：溫度和濁度

化學：pH 值、氧化還原電位 （ORP）、電導率和溶解氧

生物：藻類和細菌

本文重點介紹歷史上不可或缺且不可靠的化學測量參數，這些參數帶來了實施負擔。電化學是化學的一個分支，它通過測量電子從一種反應物到另一種反應物的轉移來表征還原-氧化（氧化還原）反應的行為。電化學技術可以直接或間接地用于檢測和測量前面列出的水質指標示例。電化學測量系統由兩個主要模塊組成：

傳感器：用于測量水質指標并產生相應電信號的裝置。

測量和處理單元：測量和處理電信號的電路。

通常，單個有線傳感器部署在整個加工廠中。現場傳感器需要經常清潔和校準，并經常更換。無線網絡可以減輕一些負擔，但它們通常被認為不夠強大，無法部署在這些應用的惡劣環境中。

在此過程中，高可靠性無線傳感網絡現在可以通過新的測量和網絡技術實現。本文介紹一個演示平臺，該平臺結合了ADuCM355的通用傳感器接口功能與ADI公司SmartMesh IP技術的線狀可靠性，形成一個魯棒的低功耗無線水質監測系統，專注于pH測量作為示例水質指標。該原理可以很容易地擴展到其他電化學參數，為每個無線傳感節點形成一套水質測量。

圖1.典型的電化學測量系統。

pH測量和pH探頭

pH值是水溶液中氫和氫氧根離子相對量的量度。中性溶液是氫離子濃度與氫氧根離子濃度完全相等的溶液。pH是表達氫離子濃度，測量溶液酸度或堿度的另一種方式，定義為：

其中 H+ 是以摩爾/升為單位的氫離子濃度。

溶液的pH值范圍為0至14，中性溶液的pH值為7，酸性溶液的pH值小于7，堿性溶液的pH值大于7。

pH電極是由玻璃電極和參比電極組成的電化學傳感器。

圖2.pH探頭。

當pH探頭插入溶液中時，測量電極產生一個電壓，該電壓取決于溶液的氫離子活性，然后將其與內部參比電極的電位進行比較。測量電極和參比電極之間的差值是測量電位，在能斯特方程中表示為：

哪里：

E是活性未知的電極電壓

a = ±30 mV，零點容差

T 是以 °C 為單位的環境溫度

n = 1 在 25°C，價態（離子上的電荷數）

F = 96485 庫侖/摩爾，法拉第常數

R = 8.314 伏庫侖/°K 摩爾，理想氣體常數

pH = 未知溶液的氫離子濃度

酸堿度.ISO= 參比電解質的氫離子濃度;查閱探頭文檔;典型酸堿度.ISO= 7

該方程表示產生的電壓以已知方式隨pH值變化。它還表明產生的電壓與溶液的溫度成正比。隨著溶液溫度的升高，兩個電極之間的電位差增加，反之亦然。理想的pH探頭在25°C時產生±59.154 mV/pH單位。

溫度的變化也會改變測量電極的靈敏度，進而導致測量誤差。該誤差是可預測的，可以通過在整個溫度范圍內校準探頭，然后在后續測量中校正溫度來解釋。通常，溫度傳感器集成在pH探頭中。溫度傳感器可以是負溫度系數（NTC）熱敏電阻或RTD，例如PT100或PT1000。帶溫度傳感器的pH探頭如圖3所示。

圖3.帶溫度傳感器的pH探頭。

如果溫度傳感器測量溫度變化，則校正因子應用于最終pH讀數，然后儀表顯示校正后更準確的讀數。這種機制可以很好地補償由于溫度變化而可能產生的任何pH誤差。

采用ADuCM355的pH測量單元

圖4.pH探頭，集成溫度傳感器，連接到ADuCM355。

ADuCM355是業界最先進、高度集成的化學傳感器測量前端，為pH測量提供平臺解決方案，所有必要的測量功能都集成在低功耗微處理器中。ADuCM355能夠以小尺寸實現超低功耗測量平臺，使其足夠小，可以在傳感器外殼內實現，同時提供臺式儀器的功能和性能。圖4顯示了ADuCM355的pH測量板，帶有BNC和RCA連接器，用于pH探頭和溫度傳感器連接。該板來自CN-0428參考設計，有關該板的更多詳細信息請參見圖5。

圖5.ADuCM355 pH測量PCB，帶BNC和RCA連接器。

將pH測量傳感器節點連接到智能網格

通過將ADuCM355與ADI公司的SmartMesh收發器相結合，我們創建了一個小型、低功耗pH測量傳感器節點。ADuCM355以數字輸出形式提供測量的pH數據。然后，該數字數據通過UART連接到ADI公司的LTP5902 SmartMesh IP無線收發器。LTP5902 通過智能網狀網絡將數字數據傳輸到 SmartMesh IP 管理器。

圖6.pH傳感器連接到ADuCM355和SmartMesh無線傳感器節點。

SmartMesh是ADI公司專有的基于IEEE 802.15.4e標準的2.4 GHz多跳無線網狀網絡解決方案。它包括 AES 128 加密和身份驗證，提供強大的端到端安全性。它具有超低功耗和高能效，使每個傳感器節點都可以使用電池運行。

SmartMesh 網絡使用時隙信道跳頻 （TSCH） 鏈路層進行通信，該鏈路層提供三重播放冗余。SmartMesh 網絡管理器（網關的一部分）協調計劃、管理安全性、執行無線編程 （OTAP），并每周 7 天、每天 24 小時自動優化連接。網絡管理器還通過 API 提供詳細的網絡運行狀況報告。對于小型網絡，一個嵌入式管理器最多可以支持 100 個傳感器節點（也稱為微塵）。VManager支持多達50，000個節點的真正大規模安裝。

圖7.網關內具有傳感器節點和網絡 IP 管理器的智能網狀網絡。

嚴格的網絡壓力測試可確保 >99.999% 的數據可靠性，使 SmartMesh 成為必須保持高網絡可用性且不會丟失數據包的工業無線傳感器網絡的完美解決方案。

無線水質監測系統：

圖8.使用ADuCM355和SmartMesh的無線水質監測系統。

如圖8所示的無線水質網絡演示包括：

四個傳感器節點：

每個傳感器節點由一個現成的玻璃電極pH探頭和一個連接到ADuCM355和SmartMesh IP微塵的集成溫度傳感器組成，如圖6所示。

pH探頭檢測pH值，ADuCM355執行測量和計算，并以數字輸出形式提供測量的pH值，然后通過無線SmartMesh網絡傳輸到SmartMesh IP管理器。

SmartMesh IP管理器通過USB連接到PC。

此系統中的網關由 PC 執行。這臺電腦安裝了Node-Red和SmartMesh SDK。SmartMesh SDK 用于為連接到 Node-RED 的數據創建 JavaScript 對象表示法 （JSON） 服務器。Node-RED用于顯示來自每個傳感器節點的測量pH數據，并允許連接到IBM Watson，Amazon AWS等云服務。

硬件設置

為了演示目的，我們使用交錯的三室魚缸，水從頂部流向隨后的艙室。pH傳感器探頭浸入每個腔室中。我們將第四個傳感器放置在遠距離的參考溶液中，以說明遠距離的SmartMesh無線通信。當我們改變頂部腔室中溶液的pH值時，Node-RED上的數據會更新，表明新的pH值。當這種新的pH溶液從頂部流向隨后的腔室時，另外兩個pH傳感器會更新其測量值，數據將顯示在屏幕上。由于第四個傳感器浸入參比溶液中，pH值沒有變化，因此該傳感器的讀數是恒定的。以下各節提供了有關 Node-RED 和測量數據的更多信息。您還可以在此處查看演示錄像。

圖 10.傳感器節點。

測量數據：

來自 4 個傳感器節點的 pH 測量值使用 Node-RED 顯示在 PC 上。

Node-RED 是一種編程工具，帶有基于 Web 的瀏覽器，允許將硬件設備、API 和其他在線服務連接在一起。演示的 JSON 流程如圖 11 所示。

圖 11.JSON 流。

圖 12.無線水質演示儀表板。

圖 13.IBM Watson 上顯示的 pH 測量數據。

圖 14.pH測量數據以推文形式表示。

結論

本文介紹采用ADI公司ADuCM355和SmartMesh IP技術的無線水質監測系統。這些產品的小尺寸和低功耗特性允許傳感器節點由電池供電。強大的 SmartMesh 技術即使在惡劣的外部環境中也能可靠地傳輸數據。該演示展示了高度可靠的無線監控系統和與云的連接。根據最終應用的不同，這具有巨大的潛力，因為該技術允許在難以到達的位置監測水質，使用戶能夠針對不同的水質閾值創建警報和警告，并利用數據獲得有關連續水質的更可靠和更好的信息。

審核編輯：郭婷