引言在化工及纺织生产中，需要对工艺中的碱液质量分数进行实时检测，由于碱液质量分数的变化大，对不同的工艺碱液质量分数的检测需要使用不同的检测方法，如密度法、折光法、电导法和滴定法等.而这些检测方法具有一定的局限性，检测时需要使用不同的检测设备［1］，同时，需要引出工作液，引出机构结构复杂、安装和维护也不方便，实时性较差，设备成本较高，检测精度一定程度受到工艺扰动的影响.根据电化学原理，可通过测量工作液中OH－离子浓度达到检测碱液质量分数的目的.这种方法可直接检测工作液的碱液质量分数，且基本不受工作液的扰动和其他因素的影响［2］.碱液质量分数自动检测一般使用基于单片机的检测系统，检测信号使用有线方式传输，系统抗干扰、抗恶劣工作环境性能较差.因此，设计一种低成本、抗干扰、抗恶劣工作环境、可靠性高的碱液质量分数检测设备，对提高生产工艺中碱液质量分数检测的性能具有一定的意义.ZigBee技术作为一种新的无线网络技术，特别适合应用在数据量小、数据格式简单、实时性要求高、工作现场环境恶劣、布线与供电不方便、监控点多且呈簇状分布的监控系统中［3］.本文针对碱液质量分数的实时性要求，设计一种基于ZigBee技术的碱液质量分数在线监测系统.1检测原理根据电化学原理，金属在酸碱盐溶液中与溶液之间存在一定的电位，该电位与溶液中离子浓度之间存在一定的对数关系［4］.在NaOH溶液中插入金属铁形成一个原电池，如图1所示，在金属Fe和NaOH溶液之间存在一电极电势.根据实验，当温度变化到某一值时，金属上的电势可用下式表示：E＝(0.0592/n)lgK+C（1）
式（1）中：C为金属常数，其值与金属材料有关.因此根据式（1）测量金属上的电势，即可计算出溶液的质量分数［5］.图1金属电势测量原理图
Fig.1Metal potential measurement schematics2系统设计与实现2.1检测系统原理基于ZigBee无线传感器网络的碱液质量分数检测系统框图如图2所示，系统网络结构为星形拓扑结构.系统中的网络节点分为两类：一类是主节点，另一类为从节点，可通过软件方式设置，传感器节点设置为简化功能节点（RFD），主要功能是数据采集与发送；主节点及路由节点设置为全功能节点（FFD）［6］，负责网络管理、指令控制与数据收发.系统中的从节点与传感器集成，路由节点位置相对固定，主节点与主控制器或计算机系统集成.该系统网络组网灵活，传感器节点可以是一个，也可以是多个或多组，当检测节点与主节点间距离较短时，可省去路由节点.传感器节点通过碱液质量分数、温度传感器采集工作液的质量分数和温度信息，然后将采集到的数据通过节点的处理器处理后，以无线方式传输到主节点.主节点对所接收传感器节点的信息进行处理后，将质量分数和温度信息在LCD上显示，同时通过数据接口电路将传感器节点所采集的数据传输到主控制器或计算机系统进行数据处理和存储.图2碱液质量分数检测系统框图
Fig.2Network structure diagram of lye concentration detection System第1期董方武，等：基于ZigBee的碱液质量分数在线检测系统设计
武汉工程大学学报第32卷
2.2传感器节点电路设计传感器节点的基本电路如图3所示.碱液质量分数检测电路使用两个高输入、输出阻抗的斩波稳零运算放大器ICL7650［7］U4和U5组成差动放大电路，其输入阻抗在1012Ω以上，使输入信号不受电路阻抗变化的影响.由于ICL7650利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移,从而摆脱了传统斩波稳零电路的束缚,克服了传统斩波稳零放大器的缺点，使该电路具有有效抑制共模噪声的干扰，以适应工业现场复杂的环境.放大器供电电压为5 V，通过调节PR4、PR5、PR6的阻值使U5输出电压为0～3.3 V.温度检测电路采用AD590［8］（U1）作为温度传感器，温度检测范围-55～+150 ℃,有较宽的电源电压适应能力，放大器采用ICL7 560（U2），通过调节PR1和PR3来调整温度检测范围，使U2的输出在0～3.3 V ，PR3用于调节U2的输入失调，电源由U7及U8提供±5 V电压.数据处理与传输电路采用基于ZigBee技术的CC2 430［9］芯片，内含与8051兼容的CPU、8/14位的ADC、128KB的RAM及符合IEEE802.15.4标准的RF无线收发机.由U2和U5输出的信号分别通过P0_1和P0_0输入至U6内部的ADC进行A/D转换.当U6接到主节点的数据采集指令时，启动中断处理程序，在一段连续时间内对浓度和温度电压信号采样，然后对所采集的数据进行等精密度处理［10］，将处理后的质量分数和温度数据存储到指定的存储单元，再以一定的数据格式经CC2430的RF模块传输至主节点.图3碱液质量分数与温度检测基本电路
Fig.3Basic circuit of lye concentration and humidity detection为了消除工业现场的各种电磁干扰，电极与处理电路之间的连接线路要求尽量短，并采用屏蔽线的方式减少干扰.2.3主节点电路设计数据接收与处理基本电路如图4所示.U3采用CC2430芯片作为网络控制器，负责数据采集指令控制与数据传输及处理.通过U3计时器中断向传感器节点发送检测指令，传感器节点传输过来的数据经过RF模块的处理后，存储到CC2430的指定存储单元，再调用数据处理子程序，按式（1）计算被测碱液的质量分数，然后通过P1_1、P1_4、P1_5、P1_6和P2_0输出到液晶显示器显示对应检测节点的碱液质量分数.同时将检测节点的质量分数数据通过P0_2～P0_5输出到计算机系统，由计算机系统进行存储和相应的处理.液晶显示器采用TBG128064F型带中文字库的显示模块.U2为RS232串行接口电路，采用MAX232接口芯片，实现与上位机之间的通信.电源供电为5 V电压，通过U1向U3提供3 V的高精度电源.S1为复位按钮，复位时经过一段延时后开始节点及网络的初始化.图4数据接收与处理基本电路
Fig.4Basic circuit of Data receiving and processing2.4软件设计碱液质量分数检测系统软件设计采用模块化设计.检测节点的流程如图5所示，主要功能是进行碱液质量分数数据采集与处理、数据发送等；主节点的流程如图6所示，由网络管理、无线发射与接收、数据处理、数据显示、数据传输模块等组成，在数据处理时根据式（1）计算工作液的质量分数.
图5传感器节点流程图
Fig.5Flow chart of Sensor node图6主节点流程图
Fig.6Flow chart of Master node

3检测结果分析使用上述检测电路测试碱液质量分数的范围为0～42，检测碱液质量分数的实验样本为：0、0.25、0.07、0.11 5、0.17 5、0.23、0.275、0.325、0375、0.42共10份，其中0和0.42质量分数的液体用于调整检测电路的输出信号从0 V至3.3 V,检测结果如表1所示.表1碱液质量分数检测结果
Table 1Test results of lye concentration (temperature of 25 ℃)
滴定质量分数0.250.07 0.1150.1750.230.2750.3250.3750.42检测质量分数0.2470.6840.113 20.175 80.234 30.276 30.319 60.371 80.413 6注：温度为25℃.
4结语该碱液质量分数检测系统采用基于ZigBee的无线传感器技术，数据传输使用无线方式，有效地克服了工业现场各种干扰，具有实时在线连续测量、操作方便、使用灵活、检测浓度范围广、测量精度高等特点.该系统不仅用于检测碱液质量分数，还可用于检测酸液质量分数，在纺织、化工等行业生产中具有很好的应用价值.