張寶峰, 從 宇, 朱均超, 邢云龍, 龐 濤

(1.天津理工大學(xué) 光電器件與通信技術(shù)教育部工程研究中心，天津 300384； 2.天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實驗室，天津 300384)

0 引 言

我國大部分地區(qū)對污染環(huán)境的修復(fù)和治理工作，其注意力多集中在重金屬污染、有機(jī)物等不同污染場地修復(fù)技術(shù)上[1]。但在污染場地修復(fù)過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些亟待解決的問題，在化學(xué)化工和污染場地治理等行業(yè)中，存在大量有害物質(zhì)或有毒氣體；同時由于突發(fā)事故或者自然災(zāi)害等，會造成多種有害物質(zhì)和毒性氣體如氨(NH3)、氯(Cl2)及硫化氫(H2S)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)等泄漏揮發(fā)到空氣中形成有毒高危環(huán)境，嚴(yán)重威脅公共安全，必須盡快采取相應(yīng)措施進(jìn)行處置[2]。

在高危有毒環(huán)境中進(jìn)行搶險救援、危害治理等工作時，需要指揮決策者科學(xué)掌握現(xiàn)場毒氣濃度、分布等情況[3,4]，便于進(jìn)行科學(xué)決策。目前氣體檢測相關(guān)技術(shù)仍處于發(fā)展階段，國內(nèi)氣體檢測儀研究的起步較晚[5]，現(xiàn)階段氣體檢測儀存在著穩(wěn)定性差，使用性能低等問題[6]，我國有毒氣體的檢測主要是在廠區(qū)等固定點(diǎn)位的長期在線監(jiān)測，而對于突發(fā)事故現(xiàn)場毒氣分布態(tài)勢的快速檢測，尚無有效解決方法[7,8]。

本文針對污染環(huán)境的復(fù)雜情況，提出一種采用移動平臺搭載多組分有毒氣體檢測裝置，按照規(guī)劃路徑和策略對突發(fā)事故現(xiàn)場的毒氣分布情況進(jìn)行快速檢測，獲取其成分、濃度分布、擴(kuò)散發(fā)展等信息，為突發(fā)事故救援的指揮決策提供科學(xué)依據(jù)，保障公共安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文系統(tǒng)采用STM32F427VGT6單片機(jī)為處理器，利用9 V鋰電池供電，根據(jù)污染現(xiàn)場決策使用6個ECM-SMART電化學(xué)氣體傳感器搭建傳感器陣列及NEO—7MGPS傳感器，STM32控制器將接收的濃度數(shù)據(jù)及位置信息數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理后發(fā)送至SIM800C無線傳輸模塊，通過通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)上傳至云端服務(wù)器。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 氣體數(shù)據(jù)采集電路

傳感器數(shù)據(jù)采集電路利用6個ECM-SMART電化學(xué)氣體傳感器，該類型傳感器體積小、結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高，具有良好的穩(wěn)定性與拓展性，輸出接口為UART，電平信號為3.3 V的TTL電平信號，與控制器的通信無需A/D轉(zhuǎn)換電路和電平匹配電路，簡化了系統(tǒng)構(gòu)造，增強(qiáng)了系統(tǒng)便捷性，傳感器的TXD與RXD兩個引腳分別與STM32的串口端口的RX引腳和TX引腳相連；由控制器發(fā)送采集指令至傳感器，傳感器收到指令后作出應(yīng)答，將氣體濃度數(shù)據(jù)傳送至控制器。其傳感器陣列電路圖如圖2所示。

圖2 氣體傳感器陣列

STM32F4系列單片機(jī)共5組UART引腳，無法滿足傳感器陣列所需的串口，因此需設(shè)計串口拓展電路，采用WK2114串口拓展芯片，實現(xiàn)將一路異步串口拓展為4個UART。每個子通道UART的波特率、字長、校驗格式可獨(dú)立設(shè)置，最高可提供2 Mbps的通信速率，串口拓展電路如圖3所示。

圖3 串口拓展電路

1.2.2 GPS坐標(biāo)采集電路

GPS坐標(biāo)采集電路選用ATK—NEO—7M模塊，該模塊功耗低具有很好的抗干擾性，追蹤靈敏度高，測量輸出頻率高，輸出接口為UART，電平信號為3.3 V的TTL電平信號模塊，GPS_TXD與GPS_RXD兩個引腳分別與STM32的串口端口的USART3相連，ATK—NEO—7M 模塊輸出GPS定位數(shù)據(jù)采用NMEA—0183協(xié)議并過UBX協(xié)議用串口來控制模塊，GPS模塊電路設(shè)計如圖4。

圖4 GPS模塊電路

1.2.3 無線傳輸電路

本文使用SIM800C模塊電路作為無線傳輸?shù)闹鲉卧?，其外圍電路主要由電源電路、串口通信電路、SIM卡接口電路與GSM天線接口電路組成[9]。

SIM800C的工作電壓為4 V，輸入電壓通過4007降壓0.7 V，將5 V降至4.3 V，使VAT滿足3.4～4.4 V電壓范圍。串口通信電路是SIM800C與STM32控制器間的數(shù)據(jù)通信電路，STM32控制器將傳感器所采集的各氣體濃度數(shù)據(jù)及采樣點(diǎn)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理打包后，由串口通信電路發(fā)送至SIM800C芯片，經(jīng)SIM800C芯片的透傳模式直接發(fā)送至云平臺中。SIM800C設(shè)計電路如圖5所示。

圖5 SIM800C模塊電路

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)的程序開發(fā)方式，各個任務(wù)之間的調(diào)度關(guān)系復(fù)雜，容易出現(xiàn)調(diào)度錯誤，甚至相互鎖死的情況，因此，本文系統(tǒng)采用μC/OS—II嵌入式操作系統(tǒng)的方式進(jìn)行軟件開發(fā)[10]。

軟件部分主要劃分為兩個任務(wù)分別是：數(shù)據(jù)采集任務(wù)和云平臺通信任務(wù)。數(shù)據(jù)采集任務(wù)細(xì)分為6個氣體采集子任務(wù)和GPS坐標(biāo)采集子任務(wù)。各個任務(wù)之間通過調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)來實現(xiàn)任務(wù)間的調(diào)度與管理。

1.3.1 氣體采集子任務(wù)

氣體采集任務(wù)是控制器與電化學(xué)氣體傳感器間進(jìn)行通信，將相應(yīng)的氣體濃度傳輸至控制器內(nèi)，系統(tǒng)將氣體采集任務(wù)分為6個結(jié)構(gòu)相同的子任務(wù)，方便控制與管理，通過兩線制TTL電平串口與STM32進(jìn)行通信，采用問答式傳輸方式通信。

STM32發(fā)送命令，傳感器模組收到信號作出回應(yīng)，中斷服務(wù)函數(shù)接收回應(yīng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗，檢驗無誤后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到一個Float類型值，將該值存放到結(jié)構(gòu)體變量，完成一次采集過程。

1.3.2 GPS坐標(biāo)采集子任務(wù)

GPS坐標(biāo)采集子任務(wù)完成GPS模塊與控制器之間的通信，控制器設(shè)置與氣體采集相同的采樣頻率，GPS模塊接收NMEA—0183格式信息，獲取其中“GPGGA”語句[11]，提取日期、時間、經(jīng)緯度、海拔高度等關(guān)鍵信息，經(jīng)過對數(shù)據(jù)解析與轉(zhuǎn)換，放入氣體采集任務(wù)的結(jié)構(gòu)體變量之中，完成一次數(shù)據(jù)定位。數(shù)據(jù)采集流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集流程

1.3.3 云平臺通信任務(wù)

STM32控制器通過UASRT端口將全局變量的數(shù)據(jù)發(fā)送到SIM800C無線傳輸模塊，模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將接收到的數(shù)據(jù)上傳至設(shè)定好IP地址的云服務(wù)器中。本系統(tǒng)為保障發(fā)送過程中由于丟包等因素而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸錯誤，采用自定義的通信協(xié)議保證數(shù)據(jù)的有效性，控制器作為客戶端連接云端服務(wù)器，建立SOCKET連接，發(fā)送采用問答方式，由控制器發(fā)起，服務(wù)器收到后回復(fù)，通信格式為<消息號,節(jié)點(diǎn)號,日期時間，緯度,緯度半球,經(jīng)度,經(jīng)度半球,海拔高度氣體1,氣體2,氣體3,氣體4,氣體5,氣體6>CRC服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行CRC校驗，校驗無誤后原路返回，證明數(shù)據(jù)發(fā)送成功，校驗錯誤后不返回，等待客戶端超時后重新發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

2 系統(tǒng)試驗與結(jié)果分析

結(jié)合氣體采集模塊，GPS坐標(biāo)采集模塊，無線傳輸模塊，加之規(guī)范化布線最終設(shè)計并完成有毒氣體檢測系統(tǒng)。

為了驗證本有毒氣體檢測系統(tǒng)的氣體采集精確度，在被測氣體所設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)濃度下對系統(tǒng)的采集精確度進(jìn)行了實驗，隨機(jī)選取兩種有毒氣體進(jìn)行檢測，實驗之前利用CO和H2S兩種有毒氣體標(biāo)準(zhǔn)濃度氣瓶和氣體流量計以及本文所設(shè)計的氣體檢測系統(tǒng)搭建實驗平臺。

將標(biāo)準(zhǔn)有毒氣體氣瓶與純氮?dú)?N2)氣瓶通過導(dǎo)管連接至氣體流量計，按照不同的比例將標(biāo)準(zhǔn)的CO，H2S進(jìn)行稀釋，再通過導(dǎo)管連接至氣體檢測系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供氣體檢測，CO，H2S氣體稀釋后濃度如表1所示。

表1 有毒氣體稀釋濃度 (mg·m-3)

每類有毒氣體被稀釋成兩種不同的濃度，分別進(jìn)行采集實驗，每隔15 s采樣一次，記錄氣體實時的濃度數(shù)據(jù)，每組實驗記錄記錄20個采樣點(diǎn)，實驗結(jié)果數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 CO氣體實驗數(shù)據(jù)

圖8為CO在稀釋濃度11 mg/m3和28 mg/m3下檢測到的濃度數(shù)據(jù)曲線，其中,11 mg/m3組實驗數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.127 mg/m3，平均偏差為0.204；28 mg/m3組實驗數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.181 mg/m3，平均偏差為0.115 mg/m3。

圖9為SO2在稀釋濃度10 mg/m3和5 mg/m3下檢測到的濃度數(shù)據(jù)曲線，其中,5 mg/m3組實驗數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.043 mg/m3，平均偏差為0.039；10 mg/m3組實驗數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.068 mg/m3，平均偏差為0.041 mg/m3。

圖9 SO2氣體實驗數(shù)據(jù)

實驗表明，在20個點(diǎn)的采樣周期內(nèi)，隨機(jī)選取的有毒氣體傳感器在不同濃度下存在一定波動，但波動幅度較小，與標(biāo)準(zhǔn)濃度誤差小于5 %，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足檢測要求。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)高危污染環(huán)境的有毒氣體檢測需求，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了基于μC/OS-II便攜式高度集成化的有毒氣體檢測系統(tǒng)，可由不同移動平臺搭載，根據(jù)污染情況實現(xiàn)對檢測環(huán)境中不同有毒氣體的實時全方位檢測，系統(tǒng)體積小、功耗低、可拓展性強(qiáng)，檢測精度滿足測量需求，在高危污染環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定，保障了工作人員的安全。