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2022年年初，國(guó)務(wù)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(zhǎng)江保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)戰(zhàn)：到2025年，長(zhǎng)江流域總體水質(zhì)保持為優(yōu)，干流水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到Ⅱ類；著力打好黃河生態(tài)保護(hù)治理攻堅(jiān)戰(zhàn)，加強(qiáng)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(zhì)達(dá)到Ⅱ類……

江河資源的保護(hù)與修復(fù)，環(huán)境監(jiān)測(cè)是其中重要一環(huán)，而其中特別是水質(zhì)監(jiān)測(cè)無處不在。無論是發(fā)展中國(guó)家還是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，同樣也存在對(duì)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)或者氣體監(jiān)測(cè)的一些需求。除了環(huán)境監(jiān)測(cè)，在城市污水處理，土壤監(jiān)測(cè)等很多環(huán)節(jié)，也少不了水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

同樣的設(shè)備，對(duì)不同的地區(qū)，例如對(duì)于污水、對(duì)飲用水，對(duì)于城市、對(duì)農(nóng)村，設(shè)計(jì)與性能要求并不一樣。從水質(zhì)檢測(cè)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(cè)量的需求，例如總氮、重金屬，等等。這么多參數(shù)其實(shí)屬于在不同的測(cè)試場(chǎng)景，適用不同的區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)，以及對(duì)于不同的水源，分不同情況有不同的嚴(yán)格的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

常見的城市污水處理流程示意圖

從事水質(zhì)檢測(cè)或者水處理這個(gè)行業(yè)的朋友，對(duì)這張框圖應(yīng)該非常熟悉，其中核心的設(shè)備包含很多的機(jī)械設(shè)備，還有一些沉淀池，是真正的一些大型設(shè)備。除了大型設(shè)備之外，其中有一個(gè)電子設(shè)備很關(guān)鍵——結(jié)合傳感器、通訊模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)、分析和報(bào)告的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

基于ADuCM355平臺(tái)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)演示系統(tǒng)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)的傳感方案選擇及考量

作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵部分，就傳感器而言需要在設(shè)計(jì)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(wù)的成本等。此外，從測(cè)量或信號(hào)處理的角度看，可信度、一致性、功耗也是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(xué)原理，電化學(xué)原理，或者生物原理。像濁度、含氧量、氨氣、氯離子的檢測(cè)，很多的方案都是基于光的原理，基于光原理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)比較重要一點(diǎn)如何做光路的設(shè)計(jì)。電化學(xué)原理其實(shí)是非常普遍的非常低成本的一種方案，但它有一些劣勢(shì)，例如需要校準(zhǔn)。我們常見的像 PH值、電導(dǎo)、氧化還原電位都是通過電化學(xué)的方案來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于微生物以及實(shí)驗(yàn)室的一些方法，更多是用于在實(shí)驗(yàn)室一些手段，常用來探測(cè)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(xué)水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感方案優(yōu)劣勢(shì)分析

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

針對(duì)光的方案ADI有很多產(chǎn)品，例如比較傳統(tǒng)的信號(hào)鏈，包括一些運(yùn)放、快速ADC。那么對(duì)于光傳感器本身，ADI有一個(gè)比較新的型號(hào)—— ADPD4101，相應(yīng)配套參考設(shè)計(jì)是CN0503。

ADPD4101 是一個(gè)光學(xué)模擬前端（AFE），能夠驅(qū)動(dòng)LED并同步接收和處理來自光電二極管的信號(hào)，以進(jìn)行高度精準(zhǔn)的光學(xué)測(cè)量。ADPD4101是高度可配置的，具有高達(dá)100 dB的高光學(xué)信噪比和片上同步檢測(cè)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(xué)黑色遮罩直接使用。 CN0503 參考設(shè)計(jì)旨在使用ADPD4101快速制作液體分析測(cè)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(cè)量固件和應(yīng)用軟件，用于實(shí)施液體分析。CN0503直接連接至ADICUP3029板，用于管理測(cè)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(píng)估GUI中的結(jié)果。CN0503可以測(cè)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(xué)元件，包括一個(gè)透鏡和分束器。將比色皿支架插入適當(dāng)?shù)墓饴罚赃M(jìn)行即插即用測(cè)量。此外，LED和光電二極管卡可以切換，以實(shí)現(xiàn)更大程度的自定義。

具有傳感器接口的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)方案 傳感器信號(hào)的接收和數(shù)據(jù)解讀是水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的關(guān)鍵部分，包括對(duì)數(shù)據(jù)的處理、顯示、數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)等。此外，連接的通訊問題、智慧節(jié)點(diǎn)的需求，或者邊緣計(jì)算的需求，都需要在水質(zhì)監(jiān)測(cè)解決方案中得以實(shí)現(xiàn)。這里介紹ADI的低功耗全集成的電化學(xué)水質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)性產(chǎn)品——ADuCM355。

該芯片內(nèi)部集成多個(gè)主要功能模塊：集成多達(dá)16個(gè)通道，可以接入不同的傳感器類型，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置；它有兩個(gè)通道的低帶寬環(huán)路，可以輸出等電位、恒電動(dòng)勢(shì)，或者用于電位測(cè)量；集成12位的 DAC，同時(shí)還有一個(gè)跨導(dǎo)運(yùn)算放大器，以及低帶寬的環(huán)路和另外一個(gè)高帶寬的環(huán)路（高帶寬可到 200kHz），可以用于阻抗匹配的測(cè)量或者內(nèi)阻頻譜測(cè)量以及電位測(cè)量；同時(shí)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(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖

信號(hào)經(jīng)過兩個(gè)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(hào)鏈傳輸?shù)胶蠖诵盘?hào)處理，通過開關(guān)的切換到信號(hào)調(diào)制電路，經(jīng)過PGA信號(hào)放大然后經(jīng)過濾波最后再到一個(gè)16位ADC處理。該平臺(tái)的另外一個(gè)比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，就是集成的一個(gè)低功耗Arm Cortex-M3處理器，用于管理各個(gè)內(nèi)部的模擬前端，同時(shí)提供一些對(duì)外的窗口，和這些處理器內(nèi)部可以運(yùn)行一些算法。通過ADuCM355的架構(gòu)分析，它基本上是一個(gè)全集成的方案，將現(xiàn)在市面上所看到的一些標(biāo)準(zhǔn)方案做了全部的集成，并且提升了性能。同時(shí)這個(gè)芯片本身體積非常小，非常適合小尺寸的設(shè)計(jì)。基于ADuCM355平臺(tái)，可以同時(shí)連接多個(gè)電極并通過對(duì)狀態(tài)機(jī)編程循環(huán)測(cè)量多個(gè)參數(shù)，可通過單個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)五個(gè)參數(shù)的監(jiān)控測(cè)量，包括TEM（溫度）、DO（溶解氧）、EC（電導(dǎo)率）、pH和濁度。

隨著國(guó)家環(huán)保政策的逐漸加碼，水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(zhì)監(jiān)測(cè)，包括3參數(shù)的5參數(shù)的，它包含了通訊功能，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)處理和管理功能，包括一些服務(wù)的功能。ADI為業(yè)界提供了針對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的一款高集成度多參數(shù)測(cè)量解決方案，該方案方便集成多個(gè)獨(dú)立測(cè)量環(huán)路實(shí)現(xiàn)單平臺(tái)多參數(shù)監(jiān)控，提供系統(tǒng)校準(zhǔn)能力和自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整，以及探頭診斷能力（pH探頭阻抗測(cè)量），實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的低功耗、小尺寸和高精度。

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原文標(biāo)題：從傳感器和平臺(tái)端入手，打造清潔水源守護(hù)者

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