Funksensornetzwerk Wasserqualität überwachen

Batteriebetriebene Funksensoren können in rauen Umgebungen und an schwer zugänglichen Stellen Messwerte erfassen. Das Beispiel der pH-Wert-Messung zeigt, wie einfach ein solches System zur Überwachung der Wasserqualität realisiert werden kann.

Getränkehersteller, Pharmahersteller oder auch Kläranlagen sind auf Systeme zur Überwachung der Wasserqualität angewiesen. Als Indikatoren lassen sich Parameter über die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Wassers heranziehen. Beispiele hierfür sind:

  • Physikalisch: Temperatur und Trübung
  • Chemisch: pH-Wert, Redoxpotenzial (Oxidations-Reduktions-Potenzial, ORP), Leitfähigkeit und gelöster Sauerstoff
  • Biologisch: Algen und Bakterien

Die chemischen Messgrößen sind unverzichtbar, konnten in der Vergangenheit allerdings nur unzuverlässig und mit hohem Aufwand per Sensorik erfasst werden. Deshalb liegt im Folgenden der Schwerpunkt genau auf der Erfassung der chemischen Eigenschaften von Wasser.

Die Elektrochemie ist ein Teilgebiet innerhalb der Chemie und charakterisiert das Verhalten von Reduktions-Oxidationsreaktionen (Redox-Reaktionen), indem die Übertragung von Elektronen von einem auf einen anderen Reaktanten gemessen wird. Elektrochemische Verfahren sind direkt oder indirekt einsetzbar, um die zuvor aufgelisteten Indikatoren zur Bestimmung der Wasserqualität zu messen. Ein elektrochemisches Messsystem (Bild 1) besteht aus zwei Hauptblöcken:

  • Sensor: Ein Bauteil zum Messen von Indikatoren zur Bestimmung der Wasserqualität und zur Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Signals
  • Mess- und Verarbeitungseinheit: Schaltkreis, der das elektrische Signal misst und verarbeitet

In der Regel werden in den Wasseraufbereitungsanlagen einzelne per Kabel angeschlossene Sensoren eingesetzt. Die am Messort installierten Sensoren müssen häufig gereinigt und kalibriert sowie oft ausgetauscht werden. Funknetzwerke könnten diesen Aufwand verringern. Allerdings gelten sie in der Regel als nicht robust genug für den Einsatz in rauen Umgebungen.

Neue Mess- und Netzwerktechniken ermöglichen jedoch die Entwicklung von hochzuverlässigen Funksensornetzwerken für den Einsatz in Verarbeitungsprozessen.

Die im Folgenden beschriebene Demonstratorplattform ermöglicht ein robustes und stromsparendes, per Funk kommunizierendes System zur Überwachung der Wasserqualität auf der Grundlage von pH-Wert-Messungen. Sie basiert auf dem Mikrocontroller ADuCM355 mit universellen Sensorschnittstellen und der zuverlässigen Funktechnik SmartMesh – beides von Analog Devices. Dieses Beispiel lässt sich leicht auf andere elektrochemische Parameter ausdehnen, um eine Reihe von Wasserqualitätsmessungen an jedem Funksensorknoten zu realisieren.

Messen des pH-Wertes

Der pH-Wert ist ein Maß für die relative Menge an Oxoniumionen (ein protoniertes Wassermolekül, H3O+) und Hydroxidionen (OH-) in einer wässrigen Lösung. Bei einer neutralen Lösung sind die Oxoniumionenkonzentration und die Hydroxid-Ionenkonzentration identisch. Der pH-Wert ist eine andere Art, die Wasserstoffionenkonzentration auszudrücken und das saure oder alkalische Verhalten der Lösung zu messen. Er ist definiert als

p H minus W e r t space equals space minus log subscript 10 space open parentheses H to the power of plus close parentheses

Darin ist H+ die Wasserstoffionenkonzentration in Mol pro Liter (mol/l).

Der pH-Wert einer Lösung liegt im Bereich von 0 bis 14, wobei eine neutrale Lösung einen pH-Wert von 7, eine saure Lösung einen pH-Wert von weniger als 7 und eine alkalische Lösung einen pH-Wert von mehr als 7 aufweist.

Die pH-Sonde (Bild 2) ist ein elektrochemischer Sensor, der aus einer Glaselektrode und einer Referenzelektrode besteht. Beim Eintauchen der pH-Sonde in die Lösung erzeugt die Messelektrode je nach Oxoniumionenaktivität eine Spannung, die mit dem Potenzial der internen Referenzelektrode verglichen wird. Die Differenz zwischen Mess- und Referenzelektrode ist das gemessene Potenzial und wird in der Nernst-Gleichung ausgedrückt – siehe Gleichung 2.

E equals a minus fraction numerator 2 comma 303 space R space open parentheses T plus 273 comma 1 close parentheses over denominator n cross times F end fraction cross times open parentheses p H minus p H subscript I S O end subscript close parentheses

Darin sind:
E das Potenzial der Elektrode mit unbekannter Aktivität a = ±30 mV, Nullpunkt-Toleranz
T die Umgebungstemperatur in °C
n die Valenz (Anzahl der Ladungen auf dem Ion), n = 1 bei 25 °C
F die Faraday-Konstante, F = 96.485 C/mol
R die ideale Gaskonstante, R = 8,314 J/(mol K)
pH die Wasserstoffionenkonzentration einer unbekannten Lösung
pHISO die Wasserstoffionenkonzentration des Referenzelektrolyten (siehe Dokumentation der pH-Sonde, typischer pHISO = 7)

Die Gleichung 2 liefert den Wert der erzeugten Spannung, die in bekannter Weise mit dem pH-Wert variiert. Sie zeigt auch, dass die erzeugte Spannung direkt proportional zur Temperatur der Lösung ist. Mit steigender Temperatur der Lösung erhöht sich die Potenzialdifferenz zwischen zwei Elektroden und umgekehrt. Eine ideale pH-Sonde erzeugt bei einer Temperatur von 25 °C einen Wert von ±59,154 mV/pH-Wert.

Eine Temperaturänderung kann auch die Empfindlichkeit der Messelektrode verändern und somit Messfehler verursachen. Der Fehler ist vorhersehbar und kann durch Kalibrierung der Sonde über die Temperatur und anschließende Temperaturkorrektur bei nachfolgenden Messungen kompensiert werden. Typischerweise ist ein Temperatursensor in die pH-Sonde integriert (Bild 3). Der Temperatursensor kann ein Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) oder ein Widerstandsthermometer wie PT100 oder PT1000 sein.

Sobald der Temperatursensor eine Temperaturänderung misst, wird der entsprechende Korrekturfaktor auf den pH-Messwert angewandt, und das Messgerät zeigt dann einen korrigierten und genaueren Messwert an. Dieser Mechanismus funktioniert gut, um Fehler im pH-Wert aufgrund von Temperaturschwankungen zu kompensieren.

Mikrocontroller wertet Signal einer pH-Sonde aus

Der Mikrocontroller ADuCM355 von Analog Devices enthält eine Eingangsstufe für elektrochemische Sensoren. Er kann alle erforderlichen Messfunktionen ausführen und eignet sich zur Integration in ein Sensorgehäuse. Seine Fähigkeiten und seine Leistungsfähigkeit sind mit den in Laboren üblichen Tischgeräten vergleichbar.

Bild 4 zeigt die Schaltung zur pH-Wert-Messung mit dem Mikrocontroller ADuCM355. Sie enthält BNC- und RCA-Steckverbinder für pH-Sonde- und Temperatursensor. Das Modul (Bild 5) stammt aus dem Referenzdesign CN-0428.

Sensorschaltung mit Funkschnittstelle

Durch die Kombination des Mikrocontrollers ADuCM355 mit einem SmartMesh-Transceiver von Analog Devices lässt sich ein kleiner, stromsparender Funksensorknoten zur pH-Wert-Messung realisiert. Am Ausgang des ADuCM355 stehen die gemessenen pH-Werte als digitale Daten zur Verfügung, die dann über eine UART-Schnittstelle an das SmartMesh-IP-Transceiver-Modul LTP5902 weitergereicht werden. Das LTP5902 überträgt die digitalen Daten über das SmartMesh-Netzwerk an den SmartMesh-IP-Manager.

SmartMesh ist ein proprietäres Funknetzwerk von Analog Devices im 2,4-GHz-Bereich. Es basiert auf dem Standard IEEE 802.15.4e und ermöglicht Multi-Hop-Verbindungen in einem vermaschten Netzwerk. SmartMesh umfasst AES-128-Verschlüsselung und -Authentifizierung und bietet robuste Ende-zu-Ende-Datensicherheit. Das SmartMesh-Funkprotokoll ist stromsparend und energieeffizient, sodass es möglich ist, jeden Funksensorknoten im Netzwerk mit Batterien zu betreiben.

SmartMesh-Netzwerke (Bild 7) kommunizieren über eine TSCH-Verbindungsschicht (Time Slotted Channel Hopping) mit Redundanz durch dreifaches Senden. Der SmartMesh-Netzwerkmanager – Teil des Gateways – koordiniert den Zeitplan, verwaltet die Sicherheit, führt die Programmierung per Funk (OTAP, Over the Air Programming) durch und optimiert automatisch die Verbindung 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche.

Außerdem stellt der Netzwerkmanager detaillierte Netzwerkzustandsberichte über das API (Application Programming Interface) zur Verfügung. Bei kleinen Netzwerken kann ein eingebetteter Manager bis zu 100 Sensorknoten (auch Motes genannt) verwalten. Wirklich riesige Installationen mit bis zu 50.000 Knoten werden mit VManager unterstützt.

Strenge Netzwerkstresstests gewährleisten eine Datenzuverlässigkeit von >99,999 %. SmartMesh eignet sich für industrielle Funksensornetzwerke, die eine hohe Netzwerkverfügbarkeit ohne Verlust von Datenpaketen bieten müssen.

Funksensorsystem zur Überwachung der Wasserqualität

Das in Bild 8 skizzierte Funksensornetzwerk zur Überwachung der Wasserqualität besteht aus:

  • Vier Funksensorkoten. Jeder Funksensorknoten enthält eine handelsübliche pH-Glassonde mit integriertem Temperatursensor, die an einen Mikrocontroller ADuCM355 und ein Funk-Transceiver-Modul (SmartMesh-IP-Mote) angeschlossen ist (Bild 6). Die pH-Sonde erfasst den pH-Wert, der Mikrocontroller ADuCM355 führt die Messungen und Berechnungen durch und liefert den gemessenen pH-Wert als digitale Ausgangsdaten, die dann über das SmartMesh-Funknetzwerk an den SmartMesh-IP-Manager übertragen werden.
  • Ein SmartMesh-IP-Manager der über eine USB-Schnittstelle an den PC angeschlossen ist.
  • Ein Gateway, das in diesem System von einem PC gebildet wird. Auf dem PC sind die Programmierwerkzeuge Node-RED und SmartMesh SDK installiert. Das SmartMesh SDK wird verwendet, um einen JavaScript-Objektnotationsserver (JSON) für die Daten zu erstellen, der an Node-RED angebunden ist. Node-RED dient zur Anzeige der Daten der gemessenen pH-Werte jedes Funksensorknotens und ermöglicht die Verbindung zu Cloud-Diensten wie IBM Watson oder Amazon Web Services.

Experimenteller Aufbau eines Funksenorsystems

Zu Demonstrationszwecken kommen drei Wasserbehälter zum Einsatz, in denen das Wasser vom oberen Behälter in die nachfolgenden Kammern fließt (Bild 9). In jeder Kammer befindet sich ein Funksensor mit pH-Sonde. Ein vierter Funksensor wurde in einem weit entfernt abgestellten Behälter mit Referenzlösung platziert, um die Funkkommunikation per SmartMesh über größere Distanzen zu veranschaulichen. Er ist deshalb in Bild 9 nicht zu sehen.

Ändert sich der pH-Wert der Lösung in der oberen Kammer, werden die Daten auf Node-RED aktualisiert und es wird ein neuer pH-Wert anzeigt. Sobald diese Lösung mit dem geänderten pH-Wert von oben in die nachfolgenden Kammern fließt, aktualisieren die beiden anderen Sensoren ihre pH-Messwerte, und ihre Daten werden auf dem Bildschirm angezeigt.

Da sich der vierte Sensor in einer Referenzlösung ohne Änderung des pH-Wertes befindet, sind die Messwerte dieses Sensors konstant. Die Funktion des Demonstrators zeigt ein Video, das während der Sensors Expo & Conference 2019 aufgenommen wurde [1].

Auswertung der Messwerte

Die gemessenen pH-Werte der vier Funksensorknoten werden auf dem PC mit Node-RED angezeigt (Bild 10). Node-RED ist ein Programmierwerkzeug mit einem webbasierten Browser, das die Verbindung von Geräten, APIs und anderen Onlinediensten untereinander ermöglicht. Bild 11 zeigt den JSON-Ablauf (JavaScript-Objektnotationsserver) für den Demonstrator (Bild 9).

Der Demonstrator kann die Messwerte der Funksensoren zusätzlich auch in eine Cloud – genutzt wurde IBM Watson – übertragen und als Tweet versenden.

Der Demonstrator veranschaulicht ein hoch zuverlässiges, per Funk kommunizierendes, Überwachungssystem und die Anbindung an eine Cloud. Es ermöglicht die Überwachung der Wasserqualität an schwer zugänglichen Orten. Anwender eines solchen Funksensorsystems können Alarme und Warnungen für verschiedene Schwellenwerte der Wasserqualität erstellen und die Messdaten nutzen, um kontinuierlich belastbare Informationen über die Wasserqualität zu erhalten.

Die Autorin dankt Scott Hunt und Bill Lindsay für ihre Unterstützung bei der Entwicklung des Demonstrators und dafür, dass sie sich Zeit für die Durchsicht des Aufsatzes genommen haben. Der Dank geht auch an Dan Braunworth und Dan Burton für das Korrekturlesen.

Literatur

[1] Wireless Water Quality Measurement Featuring SmartMesh. Analog Devices, Video, 16.7.2019, www.youtube.com/watch?v=JHjZsybDJMk
[2] Soil Moisture and pH Measurement System with Temperature Compensation. Analog Devices, Circuit Note, CN-0398, 2016. www.analog.com/en/design-center/reference-designs/circuits-from-the-lab/CN0398.html
[3] Low to High Level Water Turbidity Measurement System. Analog Devices, Circuit Note, CN-0409, 2018, www.analog.com/en/design-center/reference-designs/circuits-from-the-lab/CN0409.html
[4] Kämmerer, C.: Liquid Measurements — From Water to Blood. Analog Devices, Oktober 2019, www.analog.com/en/technical-articles/liquid-measurements-from-water-to-blood.html
[5] Node-RED – Low Code Programming for Event-Driven Applications. OpenJS Foundation, https://nodered.org
[6] Tzscheetzsch, T.: Isolated pH Monitor with Temperature Compensation. Analog Devices, Juli 2019, www.analog.com/en/technical-articles/isolated-ph-monitor-with-temperature-compensation.html
[7] Water Quality. Fondriest Environmental Learning Center, www.fondriest.com/environmental-measurements/parameters/water-quality

Die Autorin

Piyu Dhaker
ist seit Juni 2017 Applikationsingenieurin in der North America Central Applications Group von Analog Devices (ADI). Sie schloss ihr Studium an der San Jose State University 2007 mit einem Master-Abschluss in Elektrotechnik ab. Zuvor arbeitete sie auch in der Automotive Power Train Group und der Power Management Group innerhalb von ADI.