劉　學(xué)，李如華，黃傳偉，高艷艷，陳　瑋

(軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 實驗儀器廠，北京 100850)

無線傳感器多點組網(wǎng)大氣采樣器設(shè)計

劉學(xué)，李如華，黃傳偉，高艷艷，陳瑋

(軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 實驗儀器廠，北京 100850)

摘要:為研究空氣污染物擴散情況，基于學(xué)習(xí)型無線遙控傳感器，采用氣體直接采樣法設(shè)計了一種多點組網(wǎng)的便攜式大氣采樣器。可實現(xiàn)靈活多變的大氣污染監(jiān)測采樣，對大氣污染擴散研究提供有效樣本。通過學(xué)習(xí)型無線遙控傳感器的學(xué)習(xí)功能，實現(xiàn)了多采樣器同步采樣和延時采樣靈活控制，完成采樣器組網(wǎng)。采用脈寬調(diào)制(PWM)方式調(diào)整采樣器的采樣速度，采樣速度0.1～0.8 L/min可調(diào)。對該采樣器進行了測試，測試結(jié)果表明：設(shè)計的大氣采樣器達到預(yù)定指標，可以實現(xiàn)大氣可靠自動采樣。

關(guān)鍵詞:無線傳感器；大氣采樣器；環(huán)境監(jiān)測

0引言

近年來，各類環(huán)境污染突發(fā)事件，尤其是化學(xué)物質(zhì)泄漏引發(fā)的突發(fā)大氣污染事件時有發(fā)生，破壞了生態(tài)環(huán)境，危害人群健康，也在一定程度上影響社會的穩(wěn)定[1]。為了更好地檢測大氣質(zhì)量，測試大氣中各種氣體成份含量和粉塵含量，各種采樣檢測設(shè)備也應(yīng)運而生。大氣采樣器是環(huán)境監(jiān)測部門對大氣環(huán)境進行監(jiān)測時常用的一種檢測儀器[2]。由于空氣具有流動性和無定形性，同時大多數(shù)的空氣污染物的濃度會受到風(fēng)向、風(fēng)力、溫度和氣壓等因素的影響，空氣污染物的濃度變化很快[3]。傳統(tǒng)的大氣采樣一般采用24 h連續(xù)自動采樣的方法進行采樣，其監(jiān)測結(jié)果不夠準確，不能反映空氣質(zhì)量及其變化趨勢，同時,目前大部分的采樣檢測設(shè)備存在價格昂貴、體積龐大、不易攜帶、操作復(fù)雜等缺點。

基于以上原因，按照GB/T 17061《作業(yè)場所空氣采樣儀器的技術(shù)規(guī)范》要求，本文提出一種多點組網(wǎng)的便攜式遙控大氣采樣器。

1大氣采樣器設(shè)計

1.1工作原理

采集氣體樣本是檢測空氣中污染物的重要環(huán)節(jié)，由于空氣中污染物濃度低(一般為10-6～10-3g/m3)[4]，易擴散，波動大，因此,采樣方法的正確選擇是準確分析測量結(jié)果的基礎(chǔ)。氣體采樣可分為直接采樣和富集采樣。

富集采樣又叫濃縮采樣，富集采樣針對不同測試組分，其富集介質(zhì)也不一樣，其結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，不易于制作便攜式采樣器。本文研究的大氣采樣器采用氣體直接采樣法,原理是使用現(xiàn)場抽氣的方式，通過采樣口抽取空氣樣本，帶回實驗室檢測。直接采樣法必須保證樣品的原始狀態(tài)，要求樣品不與容器外的物質(zhì)發(fā)生交換,不與容器發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；容器不吸附樣品，不釋放雜質(zhì)。同時對于不同監(jiān)測項目，為得到合適的樣品采集率，應(yīng)用不同的采集流量，因此,采樣器的流量必須可調(diào)節(jié)。

1.2系統(tǒng)組成

1.2.1總體組成

基于上述原理，設(shè)計的采樣器系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)以

學(xué)習(xí)型無線傳感器為核心，由鋰電池電源、穩(wěn)速調(diào)速控制系統(tǒng)、高性能抽氣泵以及樣本收集容器等組成。當系統(tǒng)上電后，無線傳感器處于待機狀態(tài)，其余模塊處于斷電狀態(tài)。當無線傳感器接收到已組網(wǎng)遙控器的遙控信號時，其實現(xiàn)對抽氣泵控制系統(tǒng)的供電，由此實現(xiàn)抽氣泵啟停的控制。穩(wěn)速調(diào)速控制系統(tǒng)通過脈寬調(diào)制(PWM)實現(xiàn)對高性能抽氣泵的流量調(diào)節(jié)。抽氣泵將采樣口的大氣通過單向閥送入樣本收集容器中。

圖1　多點組網(wǎng)大氣采樣器系統(tǒng)框圖Fig 1　Block diagram of multi-point networking air sampler system

1.2.2系統(tǒng)電源

由于大氣采樣往往在室外空曠地進行，因此,采樣器采用大容量鋰電池做為電源，配備充電保護和低電量保護電路，使系統(tǒng)便攜可靠，靈活方便。電池采用12 000 mAh的鋰電池，電池電壓為12 V，連續(xù)工作時間設(shè)置為10 h。

1.2.3無線傳感器

由于在空氣監(jiān)測過程中，空氣污染物的濃度會受到風(fēng)向、風(fēng)力、溫度和氣壓等因素的影響。為了研究空氣污染物的擴散傳播情況，需要有多個采樣點進行采樣研究，多點之間需組網(wǎng)進行協(xié)同，完成不同組之間同步采樣和延遲采樣[5]。本文通過采用學(xué)習(xí)型無線傳感器，可以實現(xiàn)多個采樣器與遙控器之間的自定義組網(wǎng)，從而簡化采樣器的操作，提高其可控性。

學(xué)習(xí)型無線傳感器是一種可以學(xué)習(xí)無線遙控器編碼，從而接收遙控指令產(chǎn)生對應(yīng)動作的傳感器。其能夠識別和記憶常用遙控器特定按鍵發(fā)出的信號編碼，并通過將接收到的信號與存儲在存儲器中的數(shù)據(jù)比較，從而控制系統(tǒng)是否工作。兩者間的工作原理示意圖如圖2所示。

圖2　遙控器與學(xué)習(xí)型無線傳感器匹配工作模式圖Fig 2　Working mode diagram of remote controller and wireless sensor matching

按下學(xué)習(xí)型無線傳感器的學(xué)習(xí)按鍵后，再按下需要學(xué)習(xí)的遙控器按鍵，即可實現(xiàn)遙控器信號編碼存儲，此時即可實現(xiàn)遙控器與采樣器的配對。通過此方法，可以實現(xiàn)一個遙控器對多個采樣器的控制、多個遙控器對一個采樣器的控制以及一個遙控器對一個采樣器的控制，實現(xiàn)自定義的大氣采樣器組網(wǎng)。

1.2.4穩(wěn)速調(diào)速控制系統(tǒng)

對于不同的監(jiān)測項目，為得到合適的樣品采集回收率，應(yīng)用不同的采樣流量。采集的空氣流量體積的準確性，直接影響到被測項目數(shù)據(jù)質(zhì)量，因此,本文所述采樣器設(shè)計了基于PWM調(diào)速的穩(wěn)速調(diào)速控制系統(tǒng)，對采樣速度進行控制實現(xiàn)流量可調(diào)與自動恒流。

PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼[6]。穩(wěn)速調(diào)速控制系統(tǒng)分為主控系統(tǒng)、電機驅(qū)動控制電路、速度反饋信號和抽氣泵電機等四部分。其電路框圖如圖3所示。

圖3　穩(wěn)速調(diào)速系統(tǒng)總體框圖Fig 3　Overall block diagram of steady speed speed-modulating system

主控系統(tǒng)根據(jù)高頻偵測的抽氣泵電機轉(zhuǎn)速情況，向電機驅(qū)動電路提供控制信號，主要包括電機調(diào)速PWM信號和電機制動信號。

PWM調(diào)速的原理如圖4所示，電機的實際轉(zhuǎn)速采用旋轉(zhuǎn)編碼盤測得，主控系統(tǒng)通過對一定時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼盤發(fā)出的脈沖數(shù)進行計數(shù)，計算出抽氣泵電機實際轉(zhuǎn)速，與系統(tǒng)設(shè)定速度進行對比，得出偏差量做為PWM速度調(diào)節(jié)器的給定輸入。使得在負載有變化時，可自動進行PWM調(diào)速，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值，從而達到恒流量的目的。同時系統(tǒng)采用單片機自動存儲設(shè)置參數(shù)和工作狀態(tài)，系統(tǒng)下一次恢復(fù)供電時，控制器會控制抽氣泵按上次斷電前的狀態(tài)運行。

圖4　PWM調(diào)速原理圖Fig 4　Principle diagram of PWM speed modulating

1.2.5高性能抽氣泵

采用"新為誠"VML長壽命無刷調(diào)速微型真空泵作為大氣采樣器的抽氣泵，其被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、氣體分析采樣、儀器儀表等領(lǐng)域。完全實現(xiàn)了免維護，而且泵內(nèi)無油，不污染傳輸介質(zhì)，不吸附氣體及粉塵。

1.2.6樣本收集容器

對于采樣器的樣品收集容器主要有氣體采樣袋和真空瓶。氣體采樣袋，一般采樣量從0.5～10 L，采用多層鋁塑復(fù)合膜制成，運用高科技技術(shù)處理，袋壁不吸附有毒有害氣體及粉塵，具有重量輕，攜帶方便的特性。真空瓶采樣法是新近發(fā)展的一種技術(shù)，用不銹鋼制成，可采集揮發(fā)性有機物等，屬累積采樣，采樣時間從數(shù)小時到24小時[7]。由于本文研究的為大氣采樣器且其采樣時間不長，因此，本機選用氣體采樣袋做為樣本收集容器。

2實驗測試

最終設(shè)計制作的多點組網(wǎng)大氣采樣器的單點實物樣機如圖5所示，其尺寸約為115 mm×115 mm×90 mm。按照GB/T 17061《作業(yè)場所空氣采樣儀器的技術(shù)規(guī)范》要求，對設(shè)計的采樣器進行了性能測試。

圖5　多點組網(wǎng)大氣采樣器實物樣機Fig 5　Prototype of multi-point networking air sampler

隨機抽取3個制作的采樣器樣機，設(shè)定編號為A,B,C。依據(jù)標準要求，采用精密天平、MF4003微小氣體流量計以及計時器，測試了便攜式采樣器的整機重量、穩(wěn)速調(diào)速效果、最大采樣速率下的工作時間和樣本收集容器的氣密性。

測試環(huán)境：溫度20 ℃；相對濕度70 %RH；氣壓為100 845 Pa。

采樣器的測試結(jié)果如表1。

3結(jié)論

1)設(shè)計的基于無線傳感器的多點組網(wǎng)大氣采樣器體積小、重量輕、續(xù)航時間長、操作簡單，可以實現(xiàn)多點之間自定義組網(wǎng)，能滿足便攜式大氣采樣器的要求，實現(xiàn)大氣有效采樣。

2)穩(wěn)速調(diào)速控制器對采樣器的采樣速度可以起到調(diào)

表1　采樣器測試結(jié)果表

速和穩(wěn)速功能，調(diào)速范圍0.100～0.800 L/min；0.4 L/min情況下穩(wěn)速效果約為0.4×(1±3 %)L/min，其穩(wěn)速誤差不大于±5 %。

參考文獻:

[1]國家環(huán)境保護局.空氣和廢氣監(jiān)測分析方法[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1990.

[2]周秉直,梁艷.微小流量大氣采樣器自動檢定裝置的研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2001,17(1):52-54.

[3]Wilson A M,Wake C P,Kelly T,et al.Air pollution,weather and respiratory emergency room visit s in two northern new England cities :An ecological time-series study[J] .Environmental Research,2005,97(3):312-21.

[4]曾令平，馬天，羅張怡.空氣采樣技術(shù)及不確定度分析[J].中國測試技術(shù)，2004，30(6):26-28.

[5]唐德全.大氣環(huán)境監(jiān)測優(yōu)化布點研究[J].河南科技,2013(12):162-163.

[6]鄒中華,吳陳,曾慶軍.基于S3C2410的直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)[J].微計算機信息,2008(4-2):130-131.

[7]李朝暉,李仲偉.大氣采樣技術(shù)研究[J].許昌師專學(xué)報，2001,20(2):68-70.

Multi-point networking air sampler based on wireless sensors

LIU Xue,LI Ru-hua,HUANG Chuan-wei,GAO Yan-yan,CHEN Wei

(Experimental Instrument Plant,Academy of Military Medical Science，Beijing 100850,China)

Abstract:A multi-point networking portable air sampler is designed using direct sampling methods based on wireless remote sensors.It enables flexible air pollution monitoring and sampling,and provide an effective sample for diffusion of atmospheric pollution.It can achieve flexiable control of synchronization sampling and delay sampling by multi-sampler,complete sampler networking.Using PWM mode to adjust sampling rate of sampler,sampling rate can be modulated at range of 0.1～0.8 L/min.The sampler is tested,and results show that the multi-point network sampler can achieve reliable and automatic air sampling.

Key words:wireless sensors;air sampler;environmental monitoring

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0114—03

收稿日期：2015—08—03

中圖分類號:X 851

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)05—0114—03

作者簡介:

劉學(xué)(1989-)，男，江西宜春人，碩士，助理工程師，研究方向為生物醫(yī)學(xué)工程。