基于FPGA的水质智能监测子站系统

基于FPGA的水质智能监测子站系统
王乐毅1，王勇2
（1.青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东青岛266042；
2.哈尔滨工业大学（威海）电子科学与技术系，山东威海264209）
摘要：设计了一种以反熔丝数模混合FPGA系列FUSION为核心的水质监测系统。

通过嵌入8051 IP核完
成子站的控制与数据处理。

充分利用FUSION的特点与现代传感器技术，实现了水质监测的单芯片解决方案。

对硬件电路和各参量算法做了介绍。

实际调试结果表明，满足水产养殖业、河流污染等水质监测要求。

关键词：监控；水质；调理电路；8051 IP；FPGA
中图分类号：TP273 文献标识码：A
The substation system of Intelligent monitoring of
water quality based on FPGA
WANG 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,Weihai 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 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 monitor’s request of marine products farming industry and river to pollute etc.
Key words：monitor; water quality; adjustment circuit；8051 IP; FPGA
如今，适用于海珍品育苗、养殖业的水质自动监测系统现已成为世界各海洋国家增养殖业中水质监测的发展方向，同时水质污染监测也具有重大意义。

这不仅能够取代人工监测，还能获得连续数据[1][2]。

目前世界上只有少数几个国家推出具有自动监测功能水质监测网络系统[3][4]，现已建立的海洋养殖服务的水质自动监测系统,虽取得了较好的经济效益，但其售价远远超出个体养殖户和小型企业的承受能力,。

而国内对于水质要素的测量还只是以便携式单机为主。

针对当前我国这方面的现状，本文设计了一种低成本、易操作、自给电能、稳定性高的常规五参数（温度、浊度、PH值、溶解氧、电导率）自动水质监测浮标，有利于大规模普及，市场前景广阔。

1 系统总体设计方案
该系统由水质检测浮标基站和上位机两部分组成。

基站与上位机之间通过433MHz射频无线通讯，实现指令和数据的交换[5] 。

如图1。

水质监测浮标基站由五路传感器仓头、信号调理电路、FUSION主控芯片、太阳能供电系统和无线传输模块构成。

基站采用PH复合电极、散射光传感器、溶解氧电极、铂黑电导电极和18B20温度传感器采集水质常规五参数原始信号。

信号经调理电路实现放大和调零。

放大后的信号送入FUSION平台。

该平台通过SOPC技术构建而成。

调理信号送入
收稿日期：2009-04-28
作者简介：王乐毅（1962-），男，副教授，工学硕士.
图1 系统结构图
Fig.1 The system structure diagram
FUSION 内部 ADC 实现模数转换，并由内建8051核对其分析计算。

另外，8051核通过内部MOSFET 控制电机将水中五合一传感器探头伸入水面。

运用内部ADC 的电流、电压检测工作模式实现太阳能蓄电池的管理。

基站与上位机中心站之间通过433MHz 频段无线通讯模块实现数据通讯。

中心站的工作人员通过上位机提供的信息获取当地水域的水质监控信息，采取相应措施。

2 硬件电路与理论分析
2.1 溶解氧测定
本系统应用原电池法(galvanic)溶氧电极DO952，它使用一对不同金属材料的两个电极浸没在电解溶液中，反应中氧气得到电子所产生的电流强度与氧气的浓度成正比，以此测定溶解氧的含量。

原电池电极在测量之前无需预热就可对溶液中的溶解氧浓度改变作出快速响应，系统只需40～50秒就可以达到实际读数的95％。

原电池法电极在校准和维护上所需的时间相对较少。

测量时将其放入待测溶液，水中溶解氧透过透氧膜，溶解于膜与电极之间的电解液薄层中，当两输出端接上负载电路时，氧在阴极表面上发生还原反应。

对于结构和透氧膜确定的传感器而言，在一定温度下，氧传感器的电流只与试样中的氧分压成正比，因此，在两极加上适当的取样电阻后,测定电压即可知氧浓度。

溶解氧计算公式为:
()()()DO S c DOc DO c DO DO V f t S S V f t ⎡⎤∆=--⎢⎥⎣⎦
标
其中:
23()f t A Bt Ct Dt =+++为温度补偿函数
DOc V —传感器测量电压值
DO —待测的氧浓度
c DO —定标时用碘量法确定的氧浓度 DO V —定标时传感器电压测值
()c f t - 定标温度下的温补函数值 S —为盐度值
S 标—定标时的盐度值
考虑到传感器输出阻抗与零点漂移，运用信号调理电路如下：
图2 溶解氧电极的信号调理电路
Fig.2 The circuit of signal adjustment of fuse oxygen electrode
2.2 PH 测定
PH 复合电极的pH 值是由测量电极电位得到的。

当H 敏感电极和参比电极浸入被测溶液后，三者组成了一个化学电池,电极电位与溶液中氢离子活度的关系符合能斯特方程式:
()0H 2.303RT F lga E E =+
式中:
R ——气体常数, 81314 焦耳/K F ——法拉第常数, 96500 厍仑/克 T ——绝对温度
根据pH 的定义, pH= - H lg a , 将其带入能斯特方程式可得下形式:
()()0pH=E-E 2.303RT F ÷
考虑到传感器输出阻抗与零点漂移，运用信号调理电路如下：
图3 PH 复合电极信号调理电路
Fig.3 The circuit of signal adjustment of PH compound electrode
2.3 电导率测定
测量待测溶液电导的方法称为电导分析法。

电导是电阻的倒数，因此电导值的测量，实际上是通过电阻值的测量再换算的，也就是说电导的测量方法应该与电阻的测量方法相同。

但在溶液电导的测定过程中，当电流通过电极时，由于离子在电极上会发生放电，产生极化引起误差，故测量电导时要使用频率足够高的交流电，以防止电解产物的产生。

考虑到DJS-1C 器件极化误差有限，我们在DJS-1C 铂黑电导电极间通入直流信号。

如下图电路：
图4 电导率调理电路
Fig.4 The circuit of signal adjustment of conductivity rate
计算公式为：
()5_14_V S C S C G V V R V =-
其中：
G —待测电导
5V V —5V 电压 _S C V —测量电压
2.4 浊度测定
浊度传感器原理上是对散射光的强度进行光电转换，通过检测光强确定浊度。

由于浊度与传感器输出信号近似呈线性关系，我们对AD 采集信号与浊度的关系进行一组测量。

然后由MATLAB 进行分析建立经验公式：
23
y A Bx Cx Dx
=+++
其中：y—浊度x—AD电压信号
A、B、C、D—MATLAB计算得出的常数
浊度信号调理电路如下：
图5 浊度调理电路
Fig.5 The circuit of signal adjustment of muddy degree
2.5 温度测定
采用1-wire型数字温度传感器18B20检测温度，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，使系统设计更灵活、方便。

3 系统软件设计
Libero IDE环境下，运用Smart Designer结合Verilog HDL语言建立8051软核平台。

在Analog Builder下设置ADC为五路模拟电压采集和一路电流采集工作模式，用来采集四路水质参数和蓄电池的电压、电流参数。

设置两路MOSFET驱动用于控制电动机的正反转。

运用8051采集ADC数据处理，同时实现整个子站的控制管理。

4 测试结果与误差
IQSensorNet是迄今为止最先进、采用全新测试技术数字化的在线监测系统。

采用IQ Sensor Net在线监测仪器对该系统进行对比实验。

针对不同配比水样测试，得到如下比较数据：
水样溶解氧电导率PH值温度浊度
x1
x2
x3
x4
x5
3.4%
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%
3.0%
5 结论
测量结果表明，该系统对于溶氧量、PH值和浊度测量误差波动较大，但仍在可接受范围内。

电导率与温度测量精确度较高。

参考文献
[1]唐慧强.基于GPRS的水情自动测报仪[J].仪表技术与传感器,2008（1）:74-76.
[2]祁亨年.基于Web的广域污染源水质自动监控系统研究[J].仪器仪表学报.2008（1）:120-123.
[3]M ogheir Y,Singh V P. Application of information theory to groundwater quality monitoring networks
[J].Journal of Water Resources Management, 2002，16：37–49.
[4]K aramouz M., Maksimovic. Design of karoon water quality monitoring system and bid evaluation
assistance[C].The World Bank and Iran Department of Environment. 2005.
[5]F EZA K. Monitoring of water quality and assessment of organic pollution load in the NI˙LU¨FER
STREAM, TURKEY[J]. Environmental Monitoring and Assessment , 2006, 11(4): 391–417.。