构建一个基于低成本FPGA的智能水质安全报警系统：可将传感器读数转换为清晰的“安全”、“注意”和“危险”水位警报

本项目采用VSD Squadron FPGA Mini板和MYOSA传感器模块，构建了一套基于FPGA的智能水质安全报警系统。该系统设计为低成本的数字原型，用于将水质状况分类为三种简单状态：安全、注意和危险。VSD Squadron FPGA Mini板作为主处理单元，MYOSA传感器模块则用作传感前端。在本实现方案中，未使用MYOSA MPU或主板作为主控制器。

该项目接收与水的透明度、温度及其他水质指标相关的传感器报警输入。对于初始原型，传感器输出可表示为数字报警信号，或通过跳线输入进行模拟。FPGA 使用基于 Verilog 的决策逻辑处理这些输入，并通过绿色、黄色和红色 LED 以及蜂鸣器生成报警输出。

该项目的创新之处在于采用了一种仿生风险累积机制。与传统系统对单一异常输入立即做出反应不同，该FPGA在异常条件持续存在时逐步积累风险，并在输入恢复正常后缓慢降低风险。这种设计减少了误报，使系统呈现出类似神经形态学的决策行为。

该项目易于上手，成本低廉，适合使用现有的FPGA硬件和MYOSA传感器模块进行演示。总材料费用预计约为150美元。未来可扩展该原型，加入校准过的pH、浊度、TDS、电导率和温度传感器，实现完整的现场水质监测。

1. 引言

获得清洁安全的饮用水是公共卫生的重要要求。在许多农村和资源匮乏地区，人们可能依赖井水、水箱、渠道或本地储水容器中的水源。这些水源可能因泥沙、悬浮颗粒、化学杂质或温度变化而受到污染。

传统的水质检测通常需要实验室设备、专业人员和大量时间。一个简单的本地监测系统可以帮助用户快速判断水质是否安全、可疑或不安全。本项目展示了基于FPGA的智能水质安全报警系统，采用VSD Squadron FPGA Mini板实现。

在此实现方案中，VSD中队的FPGA迷你板被用作主要的决策平台。MYOSA传感器模块仅作为传感器前端模块使用，MYOSA MPU板或主板不作为主控制器使用。这样既保持了项目专注于基于FPGA的数字处理，又充分利用了现有的MYOSA传感器。

该系统通过绿色、黄色和红色LED灯以及蜂鸣器提供通用警报，无需手机、网络连接或技术知识即可轻松理解结果。

2. 问题陈述

许多社区无法获得持续的水质监测。实验室检测虽然准确，但耗时较长，且难以实现频繁检查。因此需要一种低成本的系统，以快速判断水质安全状况。

3. 目标

本项目的主要目标是：

1. 设计一个基于FPGA的水安全报警系统。

2. 使用VSD中队FPGA迷你板作为主处理单元。

3. 仅将MYOSA传感器模块用作传感前端模块。

4. 将水质状况分类为安全、注意和危险等级。

5. 提供基于LED和蜂鸣器的简单报警功能。

6. 在Verilog HDL中实现一个仿生风险累积器。

7. 为使项目总成本控制在约150美元以内。

8. 为项目复现准备易于初学者理解的文档。

4. 建议解决方案

所提出的系统采用VSD中队FPGA迷你板作为主要处理平台，使用MYOSA传感器模块提供与水质状况相关的输入信息。系统还可选用光/距离传感器、温度/环境传感器以及可选的模拟传感器模块。

对于初始原型，考虑四个警告输入信号：

1. 异常的pH值

2. 高浊度状态

3. 高总溶解固体或电导率条件

4. 异常温度状况

每个输入以数字告警信号表示。逻辑高电平表示异常状态，逻辑低电平表示正常状态。FPGA 统计异常输入的数量，并更新风险累加器。

根据风险值，系统会输出以下三种结果之一：

• 绿色LED：安全状态

• 黄色LED：警告状态

• 红色LED和蜂鸣器：存在安全隐患

5. 系统架构

系统架构如下图所示，采用文本形式的方框图。

6. 工作原理

工作原理基于传感器的检测风险。MYOSA传感器模块可提供与水样或环境条件相关的信息。例如，可以使用光传感器或接近传感器通过测量水样中透过的光量来估算浊度。清澈的水能让更多光线通过，而浑浊或泥泞的水则会阻挡或散射光线。

传感器读数被转换为警告信号，这些警告信号被发送至FPGA。随后，FPGA执行以下操作：

1. 接收来自传感器模块或测试跳线输入的警告信号。

2. 统计水质参数中有多少个异常。

3. 更新了一个仿生风险累积器。

4. 将状态分类为安全、注意或危险。

5. 激活相应的LED和蜂鸣器输出。

系统设计为，单次短暂的异常读数不会立即触发危险警报。相反，重复出现的异常读数会逐步提高内部风险值，从而提升系统的稳定性，并减少误报。

7. 创造力与创新

该项目的创新之处在于采用了FPGA硬件实现的仿生风险累积器。一个简单的阈值系统可能会因噪声或输入临时变化而立即从安全状态切换到不安全状态，而本项目避免了这种行为。

FPGA风险累积器的行为类似于一个简单的神经元。它会随着时间推移对异常输入进行整合，并在正常条件恢复时缓慢泄漏风险值。这一概念受到漏电流积分-放电神经元行为的启发。如果异常的水情持续存在，风险值会上升，系统将从安全状态进入警戒状态，再转为不安全状态;当水情恢复正常后，风险值会逐渐下降。

这使系统更加可靠，并为一个简单的水安全报警问题提供了一种全新的基于FPGA的解决方案。

本项目采用VSD Squadron FPGA Mini板和MYOSA传感器模块，实现基于FPGA的智能水安全报警系统。FPGA用作主要的决策硬件，MYOSA传感器模块则作为感知前端。MYOSA MPU或主板不作为主控制器使用。

系统接收水质预警输入，使用基于Verilog的逻辑进行处理，并通过LED灯和蜂鸣器生成“安全”、“注意”和“危险”三种输出。其主要创新之处在于仿生风险累积器，它通过积累重复的异常状态来提升稳定性，而非仅对单一突发输入做出反应。

当前版本是一个适合初学者的FPGA原型，可通过跳线输入进行演示，之后可借助ADC或电平转换电路扩展为使用真实的MYOSA传感器模块输出。该设计在计划的150美元预算范围内，并为实现完整的现场水监测系统提供了清晰的路径。

本文编译自hackster.io