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2022年年初，國務院印發(fā)“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案的通知，要求持續(xù)打好長江保護修復攻堅戰(zhàn)：到2025年，長江流域總體水質保持為優(yōu)，干流水質穩(wěn)定達到Ⅱ類；著力打好黃河生態(tài)保護治理攻堅戰(zhàn)，加強重要支流污染治理，開展入河排污口排查整治，到2025年，黃河干流上中游水質達到Ⅱ類……

江河資源的保護與修復，環(huán)境監(jiān)測是其中重要一環(huán)，而其中特別是水質監(jiān)測無處不在。無論是發(fā)展中國家還是歐美發(fā)達國家，同樣也存在對于水質監(jiān)測或者氣體監(jiān)測的一些需求。除了環(huán)境監(jiān)測，在城市污水處理，土壤監(jiān)測等很多環(huán)節(jié)，也少不了水質監(jiān)測。

同樣的設備，對不同的地區(qū)，例如對于污水、對飲用水，對于城市、對農(nóng)村，設計與性能要求并不一樣。從水質檢測的角度看，比較普遍的像PH值、溶解氧、溫度，還用于一些配合測量的需求，例如總氮、重金屬，等等。這么多參數(shù)其實屬于在不同的測試場景，適用不同的區(qū)域標準，以及對于不同的水源，分不同情況有不同的嚴格的國家標準。

常見的城市污水處理流程示意圖

從事水質檢測或者水處理這個行業(yè)的朋友，對這張框圖應該非常熟悉，其中核心的設備包含很多的機械設備，還有一些沉淀池，是真正的一些大型設備。除了大型設備之外，其中有一個電子設備很關鍵——結合傳感器、通訊模塊，實現(xiàn)對水質監(jiān)測、分析和報告的水質監(jiān)測設備。

基于ADuCM355平臺的水質監(jiān)測演示系統(tǒng)

水質監(jiān)測的傳感方案選擇及考量

作為水質監(jiān)測設備的關鍵部分，就傳感器而言需要在設計中融合各因素考慮，例如傳感器本身的穩(wěn)定性、魯棒性或壽命問題，以及考慮安裝售后服務的成本等。此外，從測量或信號處理的角度看，可信度、一致性、功耗也是在產(chǎn)品設計過程中都需要考量的一些問題。

從傳感器的角度看，有幾種比較主流的方式：光學原理，電化學原理，或者生物原理。像濁度、含氧量、氨氣、氯離子的檢測，很多的方案都是基于光的原理，基于光原理的產(chǎn)品設計比較重要一點如何做光路的設計。電化學原理其實是非常普遍的非常低成本的一種方案，但它有一些劣勢，例如需要校準。我們常見的像 PH值、電導、氧化還原電位都是通過電化學的方案來實現(xiàn)。對于微生物以及實驗室的一些方法，更多是用于在實驗室一些手段，常用來探測一些微生物的含量，一些有毒氣體或者有毒的毒素（例如重金屬）。

光學水質監(jiān)測傳感方案優(yōu)劣勢分析

基于光的傳感器產(chǎn)品有很多的優(yōu)勢，例如非破壞性、非接觸式、精度高、更低的溫漂特性以及對校準的要求也非常低，后期維護需求也少。

針對光的方案ADI有很多產(chǎn)品，例如比較傳統(tǒng)的信號鏈，包括一些運放、快速ADC。那么對于光傳感器本身，ADI有一個比較新的型號—— ADPD4101，相應配套參考設計是CN0503。

ADPD4101 是一個光學模擬前端（AFE），能夠驅動LED并同步接收和處理來自光電二極管的信號，以進行高度精準的光學測量。ADPD4101是高度可配置的，具有高達100 dB的高光學信噪比和片上同步檢測方法提供的高環(huán)境光抑制，使其在許多情況下能夠不配備光學黑色遮罩直接使用。 CN0503 參考設計旨在使用ADPD4101快速制作液體分析測量原型，采用ADPD4101作為核心產(chǎn)品，但增加了四條模塊化光路，以及測量固件和應用軟件，用于實施液體分析。CN0503直接連接至ADICUP3029板，用于管理測量例程和數(shù)據(jù)流。ADICUP3029板可以直接連接至筆記本電腦，以查看評估GUI中的結果。CN0503可以測量熒光、濁度、吸光度和色度。樣品在比色皿中制備，并放置在3D打印的比色皿支架中，支架中裝有光學元件，包括一個透鏡和分束器。將比色皿支架插入適當?shù)墓饴?，以進行即插即用測量。此外，LED和光電二極管卡可以切換，以實現(xiàn)更大程度的自定義。

具有傳感器接口的多參數(shù)水質監(jiān)測平臺方案 傳感器信號的接收和數(shù)據(jù)解讀是水質監(jiān)測應用的關鍵部分，包括對數(shù)據(jù)的處理、顯示、數(shù)據(jù)服務和應用服務等。此外，連接的通訊問題、智慧節(jié)點的需求，或者邊緣計算的需求，都需要在水質監(jiān)測解決方案中得以實現(xiàn)。這里介紹ADI的低功耗全集成的電化學水質檢測平臺性產(chǎn)品——ADuCM355。

該芯片內(nèi)部集成多個主要功能模塊：集成多達16個通道，可以接入不同的傳感器類型，可以根據(jù)實際需要進行配置；它有兩個通道的低帶寬環(huán)路，可以輸出等電位、恒電動勢，或者用于電位測量；集成12位的 DAC，同時還有一個跨導運算放大器，以及低帶寬的環(huán)路和另外一個高帶寬的環(huán)路（高帶寬可到 200kHz），可以用于阻抗匹配的測量或者內(nèi)阻頻譜測量以及電位測量；同時還集成波形發(fā)生器，可以做一些任意波形配置。

基于ADuCM355的水質監(jiān)測系統(tǒng)簡化框圖

信號經(jīng)過兩個環(huán)路（低帶寬環(huán)路或高帶寬環(huán)路），它最終都是把模擬的信號鏈傳輸?shù)胶蠖诵盘柼幚?，通過開關的切換到信號調(diào)制電路，經(jīng)過PGA信號放大然后經(jīng)過濾波最后再到一個16位ADC處理。該平臺的另外一個比較關鍵的環(huán)節(jié)，就是集成的一個低功耗Arm Cortex-M3處理器，用于管理各個內(nèi)部的模擬前端，同時提供一些對外的窗口，和這些處理器內(nèi)部可以運行一些算法。通過ADuCM355的架構分析，它基本上是一個全集成的方案，將現(xiàn)在市面上所看到的一些標準方案做了全部的集成，并且提升了性能。同時這個芯片本身體積非常小，非常適合小尺寸的設計。基于ADuCM355平臺，可以同時連接多個電極并通過對狀態(tài)機編程循環(huán)測量多個參數(shù)，可通過單個平臺實現(xiàn)五個參數(shù)的監(jiān)控測量，包括TEM（溫度）、DO（溶解氧）、EC（電導率）、pH和濁度。

隨著國家環(huán)保政策的逐漸加碼，水質監(jiān)測需求越來越多，而且我們看到另外一種產(chǎn)品形式，即在線式的連續(xù)水質監(jiān)測，包括3參數(shù)的5參數(shù)的，它包含了通訊功能，能實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)處理和管理功能，包括一些服務的功能。ADI為業(yè)界提供了針對水質監(jiān)測儀的一款高集成度多參數(shù)測量解決方案，該方案方便集成多個獨立測量環(huán)路實現(xiàn)單平臺多參數(shù)監(jiān)控，提供系統(tǒng)校準能力和自適應參數(shù)調(diào)整，以及探頭診斷能力（pH探頭阻抗測量），實現(xiàn)產(chǎn)品的低功耗、小尺寸和高精度。