陳紅巖， 鮑 立， 郭晶晶

(中國計量大學現(xiàn)代科技學院，浙江 杭州310018)

0 引 言

傳統(tǒng)的甲烷檢測儀[1]存在檢測精度低、使用壽命短等問題，且需要人工現(xiàn)場測量，不夠安全方便，有待改進。近幾年，通用分組無線業(yè)務(general packet radio service,GPRS)、ZigBee、無線局域網(wǎng)(WiFi)等無線通信技術逐漸應用到危險氣體檢測領域[2，3]。本文在采用不分光紅外法研制甲烷傳感器的基礎上，結合低成本、無線通信功能強大的WiFi技術，設計一種通過手機應用(App)遠程實時檢測甲烷濃度的系統(tǒng)[4]，為生產(chǎn)生活帶來了極大的便利與可靠的安全保障，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化應用前景。

1 甲烷氣體檢測原理

當一束波長為λ，光強為I0的單色平行光照射被測甲烷氣體時，氣體在λ處產(chǎn)生吸收光譜[5]。根據(jù)朗伯—比爾定律，通過被測氣體后出射光的強度

I=I0·exp(-KCL)

(1)

式中K為吸收系數(shù)，C為氣體濃度，L為氣室的長度。在實際的實驗過程中，測量環(huán)境、電路中元器件的漂移等因素都會對光強產(chǎn)生干擾，不易準確測量。為了消除上述干擾因素的影響，采用雙通道求比值法[6]，獲得甲烷氣體濃度

(2)

對于一個確定系統(tǒng)，只有K1,K2是未知參數(shù)，且只與當前測量環(huán)境有關，可以通過電路、標定、算法等進行補償[7]。

2 檢測系統(tǒng)硬件設計

檢測系統(tǒng)的整體結構示意如圖1所示，主要由不分光紅外甲烷傳感器、主控單片機(micro-controller unit,MCU)、WiFi模塊、報警裝置、服務器以及手機App組成。不分光紅外甲烷傳感器將測量數(shù)據(jù)傳輸給主控MCU，主控MCU處理數(shù)據(jù)得到甲烷濃度值，通過串口與WiFi模塊通信，并控制報警裝置，WiFi模塊通過路由器連接外網(wǎng)將濃度數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器平臺，手機App可以連網(wǎng)實時接收甲烷濃度數(shù)據(jù)，當甲烷濃度達到爆炸下限值時，主控MCU將控制報警裝置發(fā)出警報聲，同時手機將收到短信提醒。

圖1 檢測系統(tǒng)的整體結構示意

2.1 甲烷檢測電路

甲烷檢測電路主要由不分光紅外甲烷傳感器、模/數(shù)(A/D)轉換芯片和主控MCU組成。該甲烷傳感器將測量輸出的電壓信號送給A/D轉換芯片PCF8591,然后傳輸給主控MCU進行運算處理。主控MCU選用STC89LE54RD單片機，該單片機具有超強抗干擾能力、超低功耗、超低價格等優(yōu)點，且具有高速SPI端口，能滿足同WiFi模塊的數(shù)據(jù)傳輸，適用于工業(yè)現(xiàn)場等場合。

2.2 無線通信模塊

本文選擇HX—M02串口WiFi模塊，其外圍電路如圖2。為了使甲烷濃度數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器，需要將HX—M02 WiFi模塊配置成STA模式，使檢測系統(tǒng)的底層開發(fā)板與路由器的外網(wǎng)連接，并配置服務器的IP和端口號，具體的配置界面如圖3所示。

圖2 WiFi模塊外圍電路

3 檢測系統(tǒng)的軟件設計

檢測系統(tǒng)的軟件設計分為底層開發(fā)板程序和手機App，本文主要介紹底層開發(fā)板程序設計[8]，程序流程如圖4所示。

圖3 HX—M02 WiFi模塊配置界面

圖4 底層開發(fā)板程序流程

硬件初始化，包括單片機外圍電路、WiFi模塊外圍電路等；將甲烷傳感器測量的模擬電壓數(shù)據(jù)進行A/D轉換成數(shù)字量，進而采用數(shù)字濾波器消除噪聲等干擾信號；根據(jù)實驗標定得到的函數(shù)關系(式(3))進行數(shù)據(jù)的濃度轉換，將電壓數(shù)據(jù)轉換為對應的氣體濃度數(shù)據(jù)；當甲烷濃度值達到報警閾值時，單片機控制報警裝置發(fā)出警報聲，否則，當定時時間T=2 s時，單片機將通過串口向WiFi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，通過軟件程序完成了每2 s向WiFi模塊發(fā)送一次濃度數(shù)據(jù)，達到實時檢測甲烷濃度的目的

y=-0.363 46exp(-x/2.735 04)-1.883 85

(3)

式中x為甲烷傳感器測量得到的電壓值(實際為響應通道與參考通道的電壓之差與參考通道電壓的比值);y為對應的甲烷濃度值。

4 實驗與結果分析

針對紅外甲烷傳感器較多用于環(huán)境惡劣場所，因此，在其標定過程中，采用支持向量機(support vector machine,SVM)算法進行回歸校正以提高甲烷的測量精度[9]。采用甲烷傳感器對濃度范圍在0 %～5.05 %的標準樣氣進行數(shù)據(jù)采集，如表1。

選擇濃度為0 %,0.22 %,0.78 %,1.09 %,1.72 %,2.22 %,3.02 %,3.38 %,4.23 %,4.57 %,5.05 %的11組數(shù)據(jù)作為訓練集，建立SVM回歸模型并檢驗模型在訓練集上的回歸效果；選擇剩余5組濃度數(shù)據(jù)作為測試集，用建立好的回歸模型進行預測，驗證SVM回歸模型的預測精度和水平。

表1 紅外甲烷傳感器測量數(shù)據(jù)

通過MATLAB編程實現(xiàn)參數(shù)尋優(yōu)過程，得到尋優(yōu)參數(shù)為C=1.253 8，g=1.624 5。建立SVM回歸分析模型。在訓練集上驗證模型的回歸效果，如圖5所示，均方誤差(mean square error,MSE)為8.862 63×10-4，相關系數(shù)(r2)為98.87 %，說明模型的回歸能力很好。用測試集的5組數(shù)據(jù)對模型進行預測，測試結果如表2，平均絕對誤差為0.043，說明實驗建立的回歸模型預測精度高，可以應用于甲烷氣體的回歸校正。

圖5 訓練集上驗證模型效果

實際濃度0.4901.3802.6103.9104.810模型預測0.4811.3952.6973.8924.896

5 結 論

本文將無線WiFi技術和紅外甲烷傳感器相結合，設計了一種通過手機App遠程實時接收顯示紅外甲烷傳感器檢測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，主要介紹了檢測系統(tǒng)的軟硬件設計以及采用SVM算法提高甲烷的測量精度。該檢測系統(tǒng)不僅給生活生產(chǎn)帶來了極大的方便，還能有效防止人為疏忽導致的爆炸事故，具有廣闊的應用前景。