，，

(1.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信工程系，石家莊 050031；2.河北電信設(shè)計(jì)咨詢有限公司；3.河北省廣播電視技術(shù)中心)

引 言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，養(yǎng)魚已經(jīng)逐漸成為越來越多的人愛好,其成為家庭裝飾和綠色生活的首選[1-2]。但是，不同的魚對(duì)水環(huán)境的要求各不相同，如魚缸的水溫、pH值、水位情況等。如果水環(huán)境不合適，很容易導(dǎo)致一些名貴魚的死亡[2]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能家居技術(shù)逐漸成熟，通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的智能管理成為人們的普遍需求。針對(duì)這一情況，本文提出并設(shè)計(jì)了一種可通過手機(jī)藍(lán)牙(BLE4.0)實(shí)時(shí)了解魚缸水環(huán)境情況的水情檢測(cè)儀。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。水情檢測(cè)儀通過頂部的超聲波傳感器進(jìn)行魚缸水位測(cè)量，通過pH復(fù)合玻璃電極測(cè)量魚缸內(nèi)水的pH值，通過溫度傳感器采集溫度。水情檢測(cè)儀通過藍(lán)牙將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)端，手機(jī)端APP顯示測(cè)量結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。主要包括：可與手機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙通信的MCU nRF52832(以下簡(jiǎn)稱nRF52)最小系統(tǒng)、pH值信號(hào)采集處理電路、溫度傳感器DS18B20、超聲波水位測(cè)量傳感器、外設(shè)電源控制電路、鋰電池組、電池管理板、電壓轉(zhuǎn)換電路以及電池電壓采集電路。

其中，電池管理板負(fù)責(zé)將鋰電池輸出的3.7 V電壓升壓到5 V，為各個(gè)傳感器供電；電池電壓采集電路通過電阻分壓，將3.7 V電壓降低到3.3 V以下。nRF52832通過兩路ADC采集pH信號(hào)和電池電壓信號(hào)；通過一路I/O口連接DS18B20進(jìn)行溫度采集；通過一路串口接收超聲波水位測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)；通過一路I/O口控制MOS管開關(guān)電路,實(shí)現(xiàn)外設(shè)電源開關(guān)控制。下面重點(diǎn)對(duì)nRF52832最小系統(tǒng)和pH信號(hào)采集處理電路做詳細(xì)論述。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

2.1 nRF52832最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

nRF52832為Nordic公司的一款支持低功耗藍(lán)牙BLE、ANT/ANT+和2.4 GHz多種無線協(xié)議的處理器，其內(nèi)部集成了支持浮點(diǎn)運(yùn)算的32位 ARM Cortex-4F CPU、512 KB的Flash和64 KB RAM，主頻可達(dá)64 MHz[3-4]。nRF52832內(nèi)部集成8路12位逐次逼近型ADC、2路SPI、2路I2C總線、1路I2S音頻接口和1路UART等多種接口。其特有的PPI(Programmable PeripHeral Interconnect)機(jī)制使得外設(shè)之間的事件可獨(dú)立于CPU進(jìn)行連接，節(jié)省CPU資源。[5]基于其EasyDMA技術(shù)，外設(shè)可直接訪問內(nèi)部RAM，而無需CPU干預(yù)。

圖3是nRF52832最小系統(tǒng)原理圖，該芯片共有32個(gè)I/O口，去掉2個(gè)32.768 kHz的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘口和2個(gè)NFC天線接口，用戶可使用的I/O口共28個(gè)。本系統(tǒng)中使用了AIN6和AIN7兩路12位ADC進(jìn)行電池電壓和pH值信號(hào)電壓測(cè)量，使用2路GPIO口進(jìn)行溫度采集和外設(shè)電源控制，使用1路串口接收超聲波水位傳感器數(shù)據(jù)。需要注意的是，nRF52832電源電壓范圍為1.7～3.6 V[6]，本系統(tǒng)采用的鋰電池額定工作電壓為3.7 V，充滿電空載時(shí)可達(dá)4.2 V，為安全可靠起見，電池電壓首先進(jìn)行了電阻分壓后才進(jìn)入nRF52832電池電壓測(cè)量ADC接口。

圖3 nRF52832最小系統(tǒng)原理圖

2.2 pH值信號(hào)采集處理電路設(shè)計(jì)

溶液的pH值取決于其中氫離子的濃度[7]。pH值的測(cè)量方法主要有兩種：依據(jù)pH試劑顏色變化的比色法和測(cè)量電極兩端電壓的電位法。其中，比色法僅用于粗略測(cè)試，無法保證精度；電位法具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，適合用于溶液pH值的精確測(cè)量[8-9]。因此，本系統(tǒng)采用了后者，使用的傳感器為復(fù)合玻璃pH電極。

電位法測(cè)量pH值的基本原理是：將復(fù)合玻璃電極放入待測(cè)溶液中，通過測(cè)量電極內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)KCL溶液內(nèi)的參比電極與外部待測(cè)溶液中的玻璃電極的電位差，實(shí)現(xiàn)pH值的測(cè)量[7]。根據(jù)能斯特方程，復(fù)合玻璃電極的電位與被測(cè)溶液的pH值的關(guān)系為：

(1)

式中：E為復(fù)合玻璃電極電位(mV)，E0為參比電極電位(mV)，R為氣體常數(shù)8.3144J/(K*mol)，T為絕對(duì)溫度，F(xiàn)為法拉第常數(shù)96 485 C/mol，K=2.303RT/F=0.198 4T。

此種測(cè)量方式具備幾個(gè)特點(diǎn)：一是每個(gè)pH值的變化對(duì)應(yīng)的電位差(E-E0)非常微弱，當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，一個(gè)pH值的變化對(duì)應(yīng)的電位差為59.16 mV[9]；二是從

式(1)中可看出,pH值除和電位差有關(guān)之外，還和溫度有關(guān)。根據(jù)式(1)，溫度對(duì)pH值電極電位差的影響為0.198 4 mV/℃，如果溫度變化較大，需要做溫度補(bǔ)償。

[10]給出了溫度補(bǔ)償模型?？紤]到本系統(tǒng)工作環(huán)境為室內(nèi)，溫度變化不大，所以未做溫度補(bǔ)償。三是玻璃電極具有很高的阻抗，通用pH值電極阻抗約為100 MΩ，根據(jù)第一點(diǎn)和歐姆定律，其電流僅為0.591 6 nA，為保證測(cè)量信號(hào)的穩(wěn)定，要求后端處理電路必須具備很高的輸入阻抗與之匹配。為此本系統(tǒng)選用了高輸入阻抗的軌到軌運(yùn)算放大器TLC4502實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的放大。

pH值信號(hào)采集處理電路如圖4所示。pH電極兩端pH+和pH-電位差經(jīng)過TLC4502放大后，經(jīng)過pH_OUT端口送到nRF52832的ADC端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過nRF52832的運(yùn)算后得到最終的pH值。其中需要注意的是：TLC4502為軌到軌運(yùn)放，所以會(huì)引入負(fù)電壓，為降低系統(tǒng)成本和功耗，本電路通過TLC4502的一路運(yùn)放結(jié)合LM285D-2.5穩(wěn)壓二極管輸出的2.5 V電壓，將pH-的電壓值抬高，從而使得pH+和pH-的電位差始終為正電壓。由于nRF52832的工作電壓為3.3 V，所以R28的阻值選擇了1.8 kΩ，pH-電壓為1.85 V，使得pH+電壓以1.85 V為基準(zhǔn)上下波動(dòng)，電壓范圍始終處于0～3.3 V之間。

圖4 pH信號(hào)采集處理電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 nRF52832軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 nRF52832工作流程

nRF52832的工作流程如圖5所示。

圖5 nRF52832工作流程

首先，進(jìn)行nRF52832外設(shè)和BLE協(xié)議棧初始化，主要包括：

① nRF52832的GPIO、串口和ADC的初始化。

② RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘初始化。nRF52832有兩種時(shí)鐘源：高頻時(shí)鐘HFCLK和低頻時(shí)鐘LFCLK。低頻時(shí)鐘源主要有：32.768 kHz外部晶體振蕩器時(shí)鐘、內(nèi)部32.768 kHz的RC時(shí)鐘和32.768 kHz合成時(shí)鐘[6]。其中，RC時(shí)鐘受溫度影響精度不高，合成時(shí)鐘是從高頻時(shí)鐘HFCLK合成而來。為降低功耗，nRF52832的BLE協(xié)議棧一般選擇低頻時(shí)鐘源，所以系統(tǒng)選擇了32.768 kHz外部晶體振蕩器時(shí)鐘。

③ BLE協(xié)議棧初始化、BLE連接事件GAP參數(shù)初始化、Nordic串口服務(wù)初始化、BLE廣播初始化和連接參數(shù)初始化。

然后，nRF52832開啟藍(lán)牙廣播，等待手機(jī)連接?；趎RF52832協(xié)議棧SoftDevice的on_ble_evt()中斷處理函數(shù)，可獲取當(dāng)前BLE的連接狀態(tài)：BLE_GAP_EVT_CONNECTED和BLE_GAP_EVT_DISCONNECTED。如果連接成功，則開啟外設(shè)(在本系統(tǒng)中，外設(shè)包括：溫度傳感器、pH采樣電路、超聲波水位傳感器)供電；進(jìn)行溫度采集；通過nRF52832的ADC進(jìn)行pH值電壓采樣和pH值計(jì)算、電池電壓采樣和計(jì)算；通過串口接收超聲波水位傳感器數(shù)據(jù)并解譯；數(shù)據(jù)處理完成后，通過BLE上傳到手機(jī)APP顯示。如果nRF52832未與手機(jī)建立連接，則停止溫度采集和ADC采樣，通過開關(guān)電路關(guān)閉外設(shè)供電，nRF52832進(jìn)入低功耗模式，最大限度降低系統(tǒng)功耗。

3.1.2 pH值的數(shù)據(jù)濾波與校準(zhǔn)

經(jīng)過pH值信號(hào)采集處理電路放大之后的電壓信號(hào)，被送到nRF52832的ADC接口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過運(yùn)算得到實(shí)際的電壓值。在實(shí)際的ADC數(shù)據(jù)采樣中，由于外界的干擾，會(huì)出現(xiàn)偶然的數(shù)據(jù)波動(dòng)，所以需對(duì)ADC采樣數(shù)據(jù)做軟件濾波?？紤]到pH值數(shù)據(jù)屬于緩慢變化的被測(cè)參數(shù)，所以本系統(tǒng)采用了中位濾波法，即連續(xù)采樣N次(N為奇數(shù))，把N次采樣數(shù)據(jù)采用冒泡法從小到大排列，選取中間值作為本次采樣的有效值。

由于溫度的差異、pH電極個(gè)體差異和信號(hào)采集處理電路中各元器件存在差異，第一次使用時(shí)需進(jìn)行校準(zhǔn)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，采用最小二乘法對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行線性回歸分析[11]，得到pH值與電壓變化量的關(guān)系式△E=kpH+b。本系統(tǒng)采用了三點(diǎn)校準(zhǔn)方式。根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]，高、低pH值與電壓變化量的曲線是有所不同的，但兩者在pH=7附近基本重合，所以，本系統(tǒng)采用了兩組三點(diǎn)校準(zhǔn)得到兩組關(guān)系式，以實(shí)現(xiàn)pH值的精確測(cè)量。

首先，以pH=6.86為分界線，pH=6.86以下為酸度曲線，pH=6.86以上為堿度曲線。采集pH=3.0、4.0、6.86三點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電極電壓值，基于y=kx+b的最小二乘法式(2)和(3)得出酸度曲線公式(具體數(shù)據(jù)見表1)；同理，采集pH=6.86、7.80、9.18三點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電極電壓，得出堿度曲線公式(具體數(shù)據(jù)見表2)。

(2)

(3)

表1 pH≤6.86時(shí)采集的三點(diǎn)數(shù)據(jù)(標(biāo)準(zhǔn)pH值,ΔE)

表2 pH≥6.86時(shí)采集的三點(diǎn)數(shù)據(jù)(標(biāo)準(zhǔn)pH值,ΔE)

3.2 Android APP 軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)端的APP用于與nRF52832建立藍(lán)牙連接、接收nRF52832上傳的各項(xiàng)數(shù)據(jù)并顯示、通過藍(lán)牙向nRF52832發(fā)送指令。APP顯示界面如圖6、圖7所示。

圖6 手機(jī)APP掃描到藍(lán)牙設(shè)備SQJC01

圖7 APP顯示魚缸水情數(shù)據(jù)

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 樣機(jī)試制

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了樣機(jī)試制。圖8是系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)物圖，從左到右依次為：水位傳感器接口、溫度傳感器接口、pH值信號(hào)處理板及接口、MOS管開關(guān)板、nRF52832最小系統(tǒng)板、3.3 V電源板、鋰電池和電池管理板。

圖8 系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)物圖

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)試

在室溫25 ℃環(huán)境下，水情檢測(cè)儀對(duì)魚缸內(nèi)水的pH值、水位值、電池電壓和系統(tǒng)工作電流進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和分析。通過誤差分析，可知水情檢測(cè)儀的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了較高的測(cè)量精度。同時(shí)由于采用了藍(lán)牙低功耗MCU和電源開關(guān)控制，系統(tǒng)正常工作時(shí)電流為94.4 mA，休眠時(shí)(僅開啟了藍(lán)牙廣播，其他外設(shè)全部關(guān)閉)僅為9.4 mA，系統(tǒng)具有較低的功耗，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié) 語

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吳蓬勃(副教授)，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)。