作者：Erbe D. Reyta and Mark O. Ochoco

如果系統精度、效率和可靠性至關重要，則設計來自傳感器節點的無線數據傳輸以進行遠程監控是一項相當大的挑戰。溶液的pH值是許多行業經常考慮的測量值之一，例如農業或醫療領域。本文的主要目的是評估pH玻璃探頭的特性，以解決硬件和軟件設計中的不同挑戰，并提出使用射頻收發器模塊從探頭進行無線數據傳輸的解決方案。

介紹

本文的第一部分介紹了pH探頭，隨后將探討與前端信號調理電路相關的不同設計挑戰，以及如何在數據轉換中實現低成本、高精度和可靠性。作為提高數據處理準確性和精密度的方法，還將討論校準技術，例如使用最小二乘法在分散預定義數據中進行近似的一般多項式擬合，以進行pH校準。本文的最后一部分提供了無線監控系統的參考電路設計。

了解pH電極

pH 值定義

水溶液可以低于酸性、堿性或中性水平。在化學中，這是通過稱為pH的數字標度來衡量的，根據嘉士伯基金會的說法，它代表氫的功率。這個刻度是對數的，從 1 到 14。pH值可以用數學方式表示為pH = –log（H）。因此，如果氫離子濃度為1.0×10+–2摩爾/升，則 pH = –log（1.0 × 10–2） 給出的值為 2。像蒸餾水這樣的水溶液的pH值為7，這是一個中性值。pH值低于7的溶液是酸性的，而pH值高于7的溶液被認為是堿性溶液。對數刻度給出了溶液與另一種溶液相比的酸度。

例如，pH 值為 5 的溶液的酸性是 pH 值為 6 的溶液的 10 倍，是 pH 值為 8 的溶液的 1000 倍。

pH指示劑

有許多方法可以測量水溶液的pH值。這可以通過石蕊紙指示劑或使用玻璃探頭來完成。

石蕊試紙

石蕊紙指示劑通常由從地衣中提取的染料組成，用作pH值指示劑。一旦與溶液接觸，紙張就會發生化學反應，導致顏色變化，指示pH值。該類別基本上包括兩種方法：一種是將已知pH對應的標準顏色與使用緩沖溶液浸入測試液中的指示劑的顏色進行比較，另一種方法是制備浸泡在指示劑中的pH試紙，然后將紙浸入測試液中并比較其顏色與標準顏色。雖然上述兩種方法易于實現，但它們容易因測試溶液中的溫度和異物而產生誤差。

pH玻璃探頭

最常用的pH指示劑是pH探頭。它由玻璃測量電極和參比電極組成。典型的玻璃探頭由包裹氯化氫（HCl）溶液的薄玻璃膜組成。外殼內部是一根涂有AgCl的銀線，它充當與HCL溶液接觸的參比電極。玻璃膜外的氫離子通過玻璃膜擴散并置換相應數量的鈉離子（Na+），這些鈉離子通常存在于大多數玻璃中。這種正離子是微妙的，主要局限于膜任何一側濃度較低的玻璃表面。來自Na+的過量電荷在傳感器輸出端產生電位電壓。

探頭類似于電池。當探頭放置在溶液中時，測量電極根據溶液中的氫活度產生電壓，該電壓與參比電極的電位進行比較。隨著溶液變得更酸性（pH值降低），與參比電極相比，玻璃電極的電位變得更正（+mV），當溶液變得更堿性（更高的pH值）時，與參比電極相比，玻璃電極的電位變得更負（?mV）。這兩個電極之間的區別是測量電位。典型的pH探頭在25°C時理想地產生59.154 mV/pH單位。 這通常由能斯特方程表示，如下所示：

哪里：

E = 活性
未知的氫電極電壓 a = ±30 mV，零點公差
T = 25°C
時的環境溫度 n = 1 在 25°C 時，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，阿伏伽德羅數

pH = 未知溶液
的氫離子濃度 p嘀嗒=7，參比氫離子濃度

該方程表明，產生的電壓取決于溶液的酸度或堿度，并以已知方式隨氫離子活性而變化。溶液溫度的變化會改變其氫離子的活性。當溶液被加熱時，氫離子移動得更快，這導致兩個電極之間的電位差增加。此外，當溶液冷卻時，氫活度降低導致電位差減小。理想情況下，電極設計為在放置在pH值為7的緩沖溶液中時產生零伏電位。

典型的pH電極具有如下表所示的規格：

測量范圍	pH 0 至 pH 14
O V 時的酸堿度	酸堿度 7.00 ±0.25
準確性	pH 0.05，范圍為 20°C 至 25°C
分辨率	pH 0.01 0.1 mV
工作溫度	最高 80°C
反應時間	≤1秒，達到最終值的95%

pH探頭在這項研究中起著重要作用，因為數據的可靠性將取決于傳感器的準確性和穩定性。選擇pH探頭時要考慮的兩個關鍵因素是溫度變化后的穩定時間和緩沖溶液pH值變化后的穩定時間。例如，數據取自Jenway的應用筆記“Jenway高性能pH電極的評估”1探頭在給定測試條件下在溫度變化后測試其穩定性的性能。制備pH 7 @ 20°C和pH 4 @ 60°C緩沖液的液體溶液，并使每個電極在以200rpm攪拌的pH 7緩沖液中穩定。然后用去離子水沖洗電極并轉移到pH 4緩沖液的等分試樣中4分鐘。再次用去離子水沖洗電極并返回pH 7緩沖液。然后評估讀數保持穩定10秒所需的時間。對每個探針重復一式三份測試。

	通用pH電極	珍威 （35xx 系列 pH 探頭）
1	77	36
2	77	33
3	49	34
意味 著	67.6667	34.3333

	通用pH電極	珍威 （35xx 系列 pH 探頭）
1	29	21
2	31	26
3	38	21
意味 著	32.6667	22.6667

與通用pH探頭相比，Jenway的性能在上述給定條件下的響應速度提高了50%。使用這樣的儀器將大大減少分析數據所需的時間，因為它的樣品通量很高。

傳感器模擬信號調理電路

了解傳感器探頭的等效電氣圖非常重要，以便獲得適當的信號調理電路。如上一節所述，pH探頭由玻璃制成，可產生1 MΩ至1 GΩ的極高電阻，并與pH電壓源串聯電阻，如圖1所示。

圖1.pH探頭等效電路配置。

即使是非常小的電路電流通過電路中每個元件的高電阻（尤其是測量電極的玻璃膜），也會在這些電阻上產生相對較大的壓降，從而嚴重降低儀表看到的電壓。更糟糕的是，測量電極產生的電壓差非常小，在毫伏范圍內（理想情況下，室溫下每pH單位59.16毫伏）。用于此任務的儀表必須非常靈敏，并具有極高的輸入電阻。

模數轉換

對于這種類型的應用，考慮到傳感器的響應時間，數據收集的采樣率現在將成為一個問題。給定傳感器分辨率為0.001 V rms，ADC滿量程電壓范圍為1 V，無需高分辨率ADC即可實現9.96位的有效分辨率。無噪聲分辨率以位為單位定義，公式為：無噪聲分辨率 = log2[滿量程輸入電壓范圍/傳感器峰峰值電壓輸出噪聲]。ADC的采樣速率可能是低功耗應用的一個重要因素，因為ADC的采樣速率與其功耗直接相關。因此，考慮到傳感器的響應時間，可以將典型的ADC采樣速率設置為其最低吞吐量。集成ADC的微控制器可用于減少元件數量。

收發器

傳輸pH和溫度數據需要收發器，控制收發器需要微控制器。選擇收發器和微控制器涉及一些關鍵考慮因素。

選擇收發器涉及必須考慮的幾個因素：

工作頻率

最大距離范圍

數據速率

發 牌

工作頻率

在設計RF傳輸時，工作頻率（OF）必須確定sub-GHz或2.4 GHz頻率是否能夠滿足應用要求。在需要高數據速率并使用藍牙等寬帶寬的應用中，2.4 GHz 頻率是最佳選擇。但是，當應用是工業應用時，將使用sub-GHz，因為可用的專有協議很容易提供網絡的鏈路層。專有系統主要使用的sub-GHz范圍內的ISM頻率為433 MHz、868 MHz和915 MHz。

最大距離范圍

Sub-1 GHz頻率提供長距離能力，可以容納高功率并達到25公里以上。當用于簡單的點對點或星形拓撲時，這些頻率可以有效地穿過墻壁和其他障礙。

數據速率

還需要確定數據速率，因為它會影響收發器的傳輸距離能力和功耗。較高的數據速率消耗較少的功率，可以在短距離內使用，而較低的數據速率消耗功率，可用于長距離傳輸。提高數據速率是改善功耗的好方法，因為它只會在短時間內從電池中吸收突發電流，但這也減少了無線電覆蓋的距離。

收發器功耗

收發器功耗對于電池供電應用非常重要。這也是許多無線應用中的一個因素，因為它決定了數據速率和距離范圍。收發器具有兩個功率放大器 （PA） 選項，可實現更大的使用靈活性。單端PA可輸出高達13 dBm的RF功率，差分PA可輸出高達10 dBm的RF功率。為了便于說明，表4匯總了部分PA輸出功率與收發器I的關系DD電流消耗。為了完整起見，還顯示了接收模式電流消耗。

收發器狀態 （868 MHz/915 MHz）	輸出功率（分貝）	典型 IDD（毫安）
單端擴頻器， 發射模式	–10 0 +10 +13	10.3 13.3 24.1 32.1
差分 PA， 發射模式	–10 0 +10	9.3 12 28
接收模式	-	12.8

發 牌

Sub-GHz 包括 433 MHz、868 MHz 和 915 MHz 的免許可 ISM 頻段。它廣泛用于工業領域，非常適合各種無線應用。它可以在世界不同地區使用，因為這符合歐洲 ETSI EN300-220 法規、北美 FCC 第 15 部分法規和其他類似的監管標準。

微控制器

如圖2所示，RF系統的核心是一個處理器單元或微控制器（MCU），用于處理數據并運行軟件堆棧，這些軟件堆棧連接到用于RF傳輸的收發器和用于傳感器測量的pH參考設計（RD）板。

圖2.無線傳感器數據采集和傳輸框圖。

選擇微控制器涉及必須考慮的幾個因素：

外設

記憶

處理能力

功耗

外設

微控制器應與SPI總線等外設集成。收發器和pH參考設計板通過SPI連接，因此需要兩個SPI外設。

記憶

微控制器具有相當數量的內存，是協議處理和傳感器接口發生的地方。閃存和RAM是微控制器的兩個非常關鍵的組件。為了確保系統不會耗盡空間，使用了 128 kB。這些無疑使應用程序和軟件算法運行順暢，這將為可能的升級和附加功能提供空間，從而使系統輕松無憂。

架構和處理能力

微處理器必須足夠快，以處理復雜的計算和過程。系統使用32位微控制器。盡管較低位的處理器可能能夠使用，但該系統選擇使用 32 位來滿足可能更高的應用程序和算法要求。

微處理器功耗

微控制器的功耗應非常低。電源對于那些必須運行多年而無需維修的電池供電的應用至關重要。

其他系統注意事項

錯誤檢查

通信處理器在傳輸模式下將CRC添加到有效載荷中，然后在接收模式下檢測CRC。有效載荷數據加上16位CRC可以使用曼徹斯特進行編碼/解碼。

成本

系統應使用最小的元件和電路板尺寸，因為當成本是關鍵要求之一時，這些通常是決定因素。必須考慮由MCU和無線設備組成的集成解決方案，而不是使用分立元件。這消除了無線電和MCU之間互連的設計挑戰，從而簡化了電路板設計，設計過程更直接，鍵合線更短，從而降低了對干擾的敏感性。通過使用結合基于 ARM Cortex- M 的 MCU 和無線電收發器的單芯片，可以減少電路板組件數量、電路板布局和總體成本。??

校準

實現高精度的關鍵之一是執行校準程序。根據能斯特方程描述的pH溶液的一個特征是其對溫度的高度依賴性。傳感器探頭僅提供恒定的偏移，可以假定該偏移在所有溫度水平下都是恒定的。由于其對溫度的高度依賴性，該系統需要一個確定溶液溫度的傳感器。

可以使用諸如使用能斯特方程的直接代換的方法，但由于它缺乏解的非理想性質，因此可能會表現出一定程度的誤差。該方法只需要系統的偏移測量和未知溶液的溫度讀數。為了確定傳感器引入的偏移，需要pH值為7的緩沖溶液。理想情況下，傳感器應產生0 V的輸出。ADC讀數將是系統失調電壓。典型pH探頭傳感器的失調可能高達±30 mV。

另一種方法，通常用于現場，是通過使用多個緩沖解來設置構建一般線性或非線性方程時的點。在此例程中，需要另外兩種經過NIST認證和可追溯的pH緩沖溶液。另外兩種緩沖溶液的pH值至少應相差2。

通過緩沖溶液進行校準的方式如下：

步驟1：從第一個緩沖液中取出電極組件并用去離子水或蒸餾水沖洗后，將帶有溫度傳感器的pH探頭浸入第二個選擇的緩沖溶液中。

第 2 步：重復第 2 步，但使用第三種緩沖溶液。

第 3 步：使用所選緩沖溶液根據測量值制定方程式。

可以使用幾個數學方程來推導出校準方程。常用的公式之一是使用點斜率形式的直線方程。該公式使用校準過程中的兩個點：P1（Vm1，pH1）和P2（Vm2，pH2），其中P1和P2是使用所選緩沖液溶液測量的點。為了確定未知溶液的pH值，在給定的Px點（Vmx，pHx）下，可以使用簡單的線性插值公式：

為了在給定多組點的情況下獲得更高的精度，可以使用一階線性回歸。給定一組 n 個數據點 P0 （Vm0， pH0）， P1 （Vm1， pH1）， P2 （Vm2， pH2）， P3 （Vm3， pH3）， ...， Pn （Vmn， pHn）， 一般方程 pHx = a + b × Vmx，可以使用最小二乘法公式表示，其中 b 作為直線的斜率，a 是截距形式，其值為：

和

最小二乘近似方法可以擴展到更高的次數，例如二階非線性方程。二階的一般方程可以作為 pHx = a + b × Vmx + c × Vmx2。 a、b 和 c 的值可以按如下所示計算：

這些方程組可用于通過替換、消除或通過矩陣法求解給定的未知變量 a、b 和 c。

硬件設計解決方案

緩沖放大器

在這種給定條件下，需要一個具有高輸入阻抗和極低輸入偏置電流的緩沖放大器，以將電路與這種高源電阻隔離開來。低噪聲運算放大器AD8603可用作此應用的緩沖放大器。AD8603的低輸入電流使流過電極電阻的偏置電流產生的電壓誤差降至最低。對于200 fA的典型輸入偏置電流，對于在25°C時具有1 GΩ串聯電阻的pH探頭，失調誤差為0.2 mV （0.0037 pH）。 即使在最大輸入偏置電流為1 pA時，誤差也僅為1 mV。雖然不是必需的，但可以使用防護、屏蔽、高絕緣電阻支座和其他此類標準皮安方法來最大限度地減少所選緩沖器高阻抗輸入端的泄漏。

模數轉換器

低功耗ADC是該應用的有利轉換器。這可通過16位Σ-Δ型ADCAD7792實現，適用于精密測量應用。它具有低噪聲的3通道輸入：當更新速率等于4.17 Hz時，噪聲僅為40 nV rms。這些器件采用2.7 V至5.25 V電源供電，典型功耗為400 μA。該器件采用 16 引腳 TSSOP 封裝。新增特性包括具有4 ppm/°C漂移（典型值）的內部帶隙基準電壓源、1 μA最大關斷電流消耗以及用于減少元件數量和PCB空間的內部時鐘振蕩器。

選擇射頻收發器

根據上述要求，ADuCRF101最適合預期應用。

ADuCRF101是一款完全集成的數據采集解決方案，專為低功耗無線應用而設計。ADuCRF101的工作頻率為431 MHz至464 MHz和862 MHz至928 MHz。它與通信外設集成在一起，如所需的兩條SPI總線。片內提供128 kB非易失性閃存/EE存儲器和16 kBSRAM。它是微控制器和收發器的單芯片解決方案，從而最大限度地減少了元件數量和電路板尺寸。

ADuCRF101直接采用電池供電，電源電壓范圍為2.2 V至3.3 V，功耗為：

280 nA，省電模式，非保留狀態

1.9 μA，在省電模式下，保留處理器存儲器和RF收發器存儲器

210 μA/MHz，處于活動模式的 Cortex-M3 處理器

接收模式下為 12.8 mA 射頻收發器，掉電模式下為 Cortex-M3 處理器

發射模式下為 9 mA 至 32 mA RF 收發器，掉電模式下為 Cortex-M3 處理器

軟件實施

軟件是無線傳輸系統的關鍵部分。它決定了系統的行為方式，并且還會影響系統的功耗。該系統有兩個軟件部分，即協議棧和應用程序棧。使用的協議棧是ADRadioNet，一種用于ISM頻段的無線網絡協議。它使用 IPv6 地址，并結合了此類解決方案中預期的大多數功能，即低功耗、多跳、端到端確認、自我修復等。應用堆棧是一種通過SPI訪問pH參考設計板的軟件。

為了有效地運行這兩個軟件堆棧，使用了一個簡單的調度程序。非搶占式調度程序處理協議棧任務;它的功能被賦予特定的時間和特定的資源。但是，系統中定義的任務數量是有限的。為了高效運行，非搶占式調度程序必須在其時間流逝之前完成已定義任務的執行。對于系統中的兩個堆棧，非搶占式調度程序非常適合，因為分配給它的已定義任務數量有限。

結論

本文介紹了pH無線傳感器監測設計方面的不同挑戰和解決方案。研究表明，ADI數據采集產品基本上可用于解決pH測量的不同挑戰。運算放大器AD8603或任何具有高輸入阻抗的等效ADI放大器可用于抵消傳感器的高輸出阻抗，從而提供足夠的屏蔽以防止系統負載。ADuCRF101數據采集系統IC可以為RF數據傳輸提供完整的解決方案。數據采集的精度可以通過使用精密放大器和ADC在硬件中實現，也可以通過使用數理統計在軟件中進行校準來實現，以制定一般方程，例如不同的曲線擬合方法。

審核編輯：郭婷