孫小婷， 魏識(shí)廣， 曾 敏

(桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

CO2是大氣的重要組成部分之一，同人們的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，CO2對(duì)自然環(huán)境和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活的影響越來(lái)越大[1]。對(duì)CO2氣體的濃度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與分析成為眾多領(lǐng)域安全、高效生產(chǎn)的重要參數(shù)。因此研發(fā)設(shè)計(jì)出一款CO2濃度在線監(jiān)測(cè)儀具有良好的應(yīng)用前景。

本文研究了一種簡(jiǎn)便、有效的基于非分光紅外(non-dispersive infrared，NDIR)原理的CO2濃度在線檢測(cè)方法。本設(shè)計(jì)使用Zigbee技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)端監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境或密閉空間內(nèi)痕量CO2氣體濃度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

1 相關(guān)理論與技術(shù)

1.1 NDIR測(cè)量原理

NDIR技術(shù)的原理是利用與氣體的特征吸收波長(zhǎng)相同的濾光片過(guò)濾紅外輻射，選擇對(duì)氣體的吸收波長(zhǎng)不同的濾光片過(guò)濾參比通道的紅外輻射，然后結(jié)合Lamber-Beer定律，由吸收后的光強(qiáng)得到氣體濃度值[2-4]。

1.1.1 CO2氣體吸收光譜的選擇

空氣中對(duì)紅外輻射具有吸收作用的氣體主要包括CO2、CO、H2O、CH4、O3等，不同組分的氣體對(duì)紅外輻射有其固有的吸收波長(zhǎng)，利用吸收譜線便可以分辨出氣體的類型[5]。CO2氣體在波長(zhǎng)4.26 μm處對(duì)紅外光的吸收程度最強(qiáng)[6]，因此選取波長(zhǎng)4.26 μm的紅外光濾光片來(lái)測(cè)量CO2氣體濃度值。在檢測(cè)CO2氣體濃度過(guò)程中，為避免其他氣體吸收紅外輻射引起測(cè)量誤差，在測(cè)試過(guò)程中通過(guò)增加參比通道獲得沒(méi)有氣體吸收時(shí)的紅外光能量，并且參考通道的波長(zhǎng)與待測(cè)氣體以及大氣中其他氣體的吸收波長(zhǎng)相同，選取波長(zhǎng)4.0 μm的紅外光濾光片作為參考光路的波長(zhǎng)。

1.1.2 CO2氣體的濃度計(jì)算

根據(jù)Lamber-Beer定律有:

ICO2=Irefe-kcL

(1)

式中ICO2為經(jīng)過(guò)測(cè)量通道后氣體吸收的光照強(qiáng)度，Iref為經(jīng)過(guò)參考通道后氣體吸收的光照強(qiáng)度，k為CO2吸收系數(shù)，c為CO2氣體濃度，L為儀器氣室的長(zhǎng)度。

探測(cè)器將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由于探測(cè)器的輸出電壓正比于接收到的光強(qiáng)，因此氣體測(cè)量通道的輸出電壓為

UCO2=ICO2K1e-kcL

(2)

參考通道的輸出電壓為

Uref=IrefK2

(3)

其中:K1反映測(cè)量通道中濾光片的透射程度和熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)度;K2反映參考通道中濾光片的透射程度和熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)度。

在實(shí)際測(cè)量中，由于光強(qiáng)難以測(cè)量并易受外界環(huán)境的影響，為此通過(guò)采用比值法消除光強(qiáng)因子的同時(shí)消除系統(tǒng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。ICO2≈Iref，由式(2)與式(3)可得：

(4)

設(shè)系統(tǒng)參數(shù)K0=K1/K2，由式(4)可得到CO2濃度c為

(5)

對(duì)于整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)而言，式(5)中的k、L是固定值，當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)處于穩(wěn)定的環(huán)境中時(shí)系統(tǒng)參數(shù)K0亦可視為常量，這樣便可通過(guò)獲取測(cè)量系統(tǒng)中的電壓值UCO2與Uref，然后利用濃度公式即可得到CO2氣體的濃度。

1.2 Zigbee無(wú)線傳輸技術(shù)

Zigbee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議，該系列通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是為傳輸速率低、通信距離短(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信幾百米內(nèi))、資源消耗低的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信定義的。Zigbee作為具有廣泛運(yùn)用前景的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有如下眾多特點(diǎn)[7-8]:功耗較低，開(kāi)發(fā)成本較低，數(shù)據(jù)傳輸速率低，數(shù)據(jù)傳輸距離近，響應(yīng)速度快，節(jié)點(diǎn)容量大。

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的推廣以及無(wú)線接入技術(shù)需求的增大，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍得到了很大的延伸與拓展[9]，在工農(nóng)業(yè)裝置自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)外設(shè)、智能家居、健康監(jiān)護(hù)、消費(fèi)性電子設(shè)備等很多領(lǐng)域都有Zigbee技術(shù)的應(yīng)用[10]。

2 監(jiān)測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

CO2濃度檢測(cè)儀的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由CO2紅外分析模塊、數(shù)據(jù)采集終端、協(xié)調(diào)器以及監(jiān)控端構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)的框架見(jiàn)圖1。

圖1 CO2在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)主要包括CO2光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)組成。

2.1 光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光路系統(tǒng)中主要完成對(duì)紅外光源、氣室以及探測(cè)器設(shè)計(jì)，圖2為紅外分析模塊結(jié)構(gòu)框圖。CO2氣體的濃度測(cè)量涉及到CO2氣體的特征吸收波長(zhǎng)4.26 μm和參考波長(zhǎng)4 μm，因此采用的紅外光源需覆蓋這2個(gè)波長(zhǎng)，選用IRL715型紅外光源作為其紅外輻射光源。紅外氣室采用GE公司的90003。探測(cè)器將難以測(cè)量的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為易于測(cè)量的電壓信號(hào)，本文選用PerkinElmer公司生產(chǎn)的雙濾光片熱釋電探測(cè)器PYS3228G2/G20。

圖2 紅外分析模塊框圖

2.2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

電路系統(tǒng)由核心板(CC2530)、電源、LCD顯示、光源驅(qū)動(dòng)與調(diào)制、包含放大與濾波電路的信號(hào)調(diào)理電路等模塊，以及外圍接口電路(時(shí)鐘、存儲(chǔ)、串口通信等)構(gòu)成。本設(shè)計(jì)中采用CC2530模塊作為系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的微控制器。CC2530模塊是一個(gè)應(yīng)用在IEEE802.15.4、Zigbee和RF4C3 3個(gè)領(lǐng)域里比較典型的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案[11]。系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)模塊根據(jù)各種傳感器和CC2530的電氣特性，對(duì)其進(jìn)行電源切換管理，CC2530的GPIO口控制相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)，RF單元控制無(wú)線模塊對(duì)采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行Zigbee無(wú)線發(fā)送。其硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。 CC2530內(nèi)部集成了如RF、MCU、ADC、存儲(chǔ)器等多種功能模塊，圖4為CC2530的外圍電路。

圖4 CC2530的外圍電路

3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括協(xié)調(diào)器、終端的程序設(shè)計(jì)以及上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件總體流程見(jiàn)圖5。

圖5 系統(tǒng)軟件總體流程

監(jiān)測(cè)設(shè)備在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集、上傳、顯示等功能。監(jiān)測(cè)設(shè)備在開(kāi)始工作時(shí)，首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并作相應(yīng)的自檢工作，檢測(cè)整個(gè)電路系統(tǒng)是否存在故障。若存在故障，則進(jìn)行報(bào)警處理并將故障內(nèi)容保存處理，當(dāng)系統(tǒng)不存在故障時(shí)，則進(jìn)行下一步。自檢無(wú)故障時(shí)，對(duì)終端的各個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊上電，當(dāng)終端的數(shù)據(jù)采集完成后，A/D模塊開(kāi)始工作，將終端采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后ADC關(guān)閉，得到CO2氣體濃度相關(guān)系數(shù)以及周圍溫濕度的數(shù)字信號(hào)值；之后同時(shí)檢查系統(tǒng)是否出現(xiàn)供電不足，以防止終端監(jiān)測(cè)因?yàn)楣╇姴蛔銓?duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。若供電系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)，則進(jìn)行重新更換電源；若供電正常，則將終端采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)Zigbee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)，完成了一次數(shù)據(jù)信息的采集過(guò)程。當(dāng)達(dá)到下一個(gè)采集周期的時(shí)候，再對(duì)采集模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，若處于上電狀態(tài)，則開(kāi)啟對(duì)下一次采集數(shù)據(jù)信息的過(guò)程。

本設(shè)計(jì)中軟件編寫是在IAR公司研發(fā)的C編譯器上完成的，

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部分的軟件設(shè)計(jì)由CO2檢測(cè)終端設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)兩部分構(gòu)成，如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)圖

CO2檢測(cè)終端主要完成以下功能：設(shè)備各功能模塊的初始化，自動(dòng)搜索網(wǎng)絡(luò)并加入網(wǎng)絡(luò)，CO2紅外采集模塊的數(shù)據(jù)采集與處理，通過(guò)LCD顯示CO2濃度值，將CO2氣體濃度信息進(jìn)行無(wú)線發(fā)送。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能為首先為系統(tǒng)各模塊初始化，然后創(chuàng)建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，最后實(shí)現(xiàn)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳至上位機(jī)。

3.2 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端主要完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)保存、繪制數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)曲線等任務(wù)，其軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)為VS2010。上位機(jī)監(jiān)測(cè)顯示界面見(jiàn)圖7。首先打開(kāi)串口，當(dāng)點(diǎn)擊刷新按鍵時(shí)，界面自動(dòng)進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)顯示過(guò)程，當(dāng)前界面上顯示的數(shù)據(jù)參數(shù)將進(jìn)行重置，此操作可以更方便地在短時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集。當(dāng)點(diǎn)擊退出按鍵時(shí)，界面則退出。關(guān)閉所有燈按鈕使軟件進(jìn)入等待狀態(tài)，數(shù)據(jù)不再接收、處理。圖8為手機(jī)客戶端監(jiān)測(cè)顯示界面，可通過(guò)WIFI或GPRS登錄PC機(jī)IP地址，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)CO2氣體濃度值及其周圍環(huán)境溫度。

圖7 數(shù)據(jù)上位機(jī)監(jiān)測(cè)顯示界面

圖8 手機(jī)客戶端監(jiān)測(cè)顯示界面

該界面軟件在數(shù)據(jù)處理方面，主要對(duì)接收的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行3個(gè)方面的處理:一是數(shù)據(jù)的本地界面實(shí)時(shí)數(shù)字顯示；二是多數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)曲線顯示；三是數(shù)據(jù)的本地文件存儲(chǔ)，以TXT文本格式存儲(chǔ)。

4 性能測(cè)試分析

4.1 精度測(cè)試

在本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置紅外CO2傳感器的測(cè)量范圍為0～5 000×10-6。首先利用型號(hào)為VZ7788BZ的CO2檢測(cè)儀獲取13組CO2濃度值作為實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的參考值；然后利用本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)儀對(duì)13組CO2參考濃度氣體分別各重復(fù)測(cè)量10次，得到的13組共130個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，其中CO2氣體濃度數(shù)據(jù)利用CO2生成器獲得。將型號(hào)為VZ7788BZ的CO2檢測(cè)儀與本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)儀同時(shí)置于密封玻璃容器中，利用CO2鋼瓶向密封容器中沖入CO2氣體。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1，性能指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 實(shí)際CO2濃度測(cè)量結(jié)果 ×10-6

表1(續(xù)) ×10-6

表2 性能指標(biāo)數(shù)據(jù)

由表2可知，紅外CO2測(cè)量系統(tǒng)具有較好的檢測(cè)精度，相對(duì)誤差集中在-2.48%～4.10%之間，符合氣體檢測(cè)儀器誤差要求。

本實(shí)驗(yàn)中，將相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為系統(tǒng)的重重復(fù)性指標(biāo)，13組不同的濃度值進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量得到的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為2.416%～4.149%，根據(jù)所得的結(jié)果說(shuō)明系統(tǒng)具有良好的重復(fù)性。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始改變CO2氣體濃度，到下一次系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)為止，系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間在7 s內(nèi)，可見(jiàn)該系統(tǒng)的響應(yīng)速度比較快。

4.2 穩(wěn)定性測(cè)試

系統(tǒng)的穩(wěn)定性測(cè)試是指對(duì)處在相同外界環(huán)境下的同一設(shè)備，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的連續(xù)工作，所測(cè)得數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)幅度程度以及數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定程度。在本實(shí)驗(yàn)中，利用標(biāo)準(zhǔn)CO2檢測(cè)儀得到的13組CO2氣體分別各重復(fù)測(cè)量10次，將表2得到的測(cè)量結(jié)果分為低濃度測(cè)試數(shù)據(jù)和高濃度測(cè)試數(shù)據(jù)，利用origin軟件得到兩組濃度區(qū)間的濃度數(shù)值曲線，結(jié)果見(jiàn)圖9。

由圖9可知，低濃度和高濃度得到的曲線上下波動(dòng)的幅度很小，所以本檢測(cè)系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性。對(duì)相同濃度的CO2進(jìn)行測(cè)量時(shí)得到的結(jié)果變化范圍大都能集中在4.33%～5.88%之間，滿足對(duì)儀器穩(wěn)定性的要求。

4.3 誤差來(lái)源分析

通過(guò)濾光片的紅外光必然夾雜一定范圍的連續(xù)成分。同時(shí)對(duì)于不同波長(zhǎng)的濾光片之間也存在差異，比如透過(guò)率會(huì)有所不同，因此就導(dǎo)致誤差。以上所述的誤差形式稱之為朗伯-比爾偏差[12]。

在對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)存在電氣噪聲，元器件處于長(zhǎng)時(shí)間工作也會(huì)產(chǎn)生溫漂。一旦對(duì)系統(tǒng)上電，元器件工作產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致電路板元器件溫度升高使得電路中產(chǎn)生噪聲。在對(duì)電路板進(jìn)行焊接時(shí)，可能造成虛焊使電導(dǎo)率變化，在焊接處產(chǎn)生頻率噪聲。

由于探測(cè)器對(duì)溫濕度以及壓強(qiáng)比較敏感，雖然本實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)時(shí)自帶溫度補(bǔ)償功能，但也很難完全消除溫度對(duì)系統(tǒng)造成的影響，溫濕度的變化，會(huì)使電阻、電容等元器件產(chǎn)生影響，電路性能的改變會(huì)產(chǎn)生誤差。

圖9 CO2測(cè)試數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以大氣中CO2濃度監(jiān)測(cè)為研究對(duì)象，以成本低、便捷快速檢測(cè)氣體濃度為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)研究了基于紅外吸收原理的氣體檢測(cè)技術(shù)、Zigbee無(wú)線傳輸技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，利用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于NDIR原理的CO2氣體濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)CO2紅外監(jiān)測(cè)裝置完成對(duì)CO2濃度的檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理，利用Zigbee無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)并與上位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

References)

[1] 雷學(xué)軍. 二氧化碳是人類的寶貴財(cái)富[J].中國(guó)能源，2016，38(1):12-21.

[2] 李鑫，梁娜. NDIR甲烷傳感器電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015(12):240-242.

[3] Lee J J， Kim Y K， Rhyu S H， et al. Hysteresis Torque Analysis of Permanent Magnet Motors Using Preisach Model[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2012， 48(2):935-938.

[4] 陳增強(qiáng)，郭純，趙加祥. 基于Preisach模型的遲滯系統(tǒng)建模與控制[J].控制工程，2006，13(4):304-306.

[5] 徐曦，常建華，薛宇. 非分光紅外的新型SF6傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016，35(9):82-84.

[6] Guan D， Peters G P，Weber C L， et al.Journey to world top emitter: An analysis of the driving forces of China’s recent CO2emissions surge [J].Geophysical Research Letters，2009，36(4):2-16.

[7] 尤曉明. 基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)的研究[D]. 西安:西安電子科技大學(xué)， 2014.

[8] 張立立，徐勇，孫開(kāi)宇. 基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(5):139-142.

[9] 袁建挺. 基于嵌入式主板的無(wú)紙記錄儀研制[D]. 杭州:杭州電子科技大學(xué)， 2011.

[10] Malhi K， Mukhopadhyay S C， Schnepper J， et al. A Zigbee-Based Wearable Physiological Parameters Monitoring System[J]. IEEE Sensors Journal， 2012，12(3):423-430.

[11] 單春艷. 基于Zigbee的智能家居系統(tǒng)[D]. 青島:青島大學(xué)， 2014.

[12] 劉永德，曾凱，韋鵬，等. 朗伯-比爾定律偏差分析[J]. 中國(guó)水運(yùn)，2006，6(11):236-237.