趙鑫，林夢潔，楊安東，高子飛，梅茹雪，李會(huì)軍

（中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

氣體檢測是生產(chǎn)作業(yè)、火場救災(zāi)等眾多領(lǐng)域至關(guān)重要的一環(huán)[1-3]。然而，傳統(tǒng)的氣體檢測方案大多基于一種[4-7]或少數(shù)幾種[8-10]固定種類氣體的檢測，使得檢測應(yīng)用場景較為單一；同時(shí)，部分氣體檢測裝置采用固定式安裝檢測方式，導(dǎo)致其檢測范圍受限、機(jī)動(dòng)性差。此外，針對火場、管廊等人員不方便進(jìn)入的場景，如何實(shí)施快速有效的氣體檢測，也是亟須解決的問題。

基于上述氣體檢測方案存在的不足，文中提出了一種便攜式的自適應(yīng)多組分氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可同時(shí)檢測多種氣體，根據(jù)應(yīng)用場景的需要，可隨時(shí)更換不同的氣體傳感器；采用自供電式便攜設(shè)計(jì)，可搭載無人機(jī)等開展遠(yuǎn)程檢測作業(yè)，以解決場景受限問題，具有良好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架

多組分氣體檢測系統(tǒng)可分為下位機(jī)氣體檢測部分和上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示部分，以云端作為連接，如圖1所示。下位機(jī)通過氣體檢測模塊和定位模塊實(shí)時(shí)獲取各種氣體的濃度和對應(yīng)的地理位置；采集到的數(shù)據(jù)由主控模塊處理后同步保存至存儲(chǔ)電路中；同時(shí)，通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)從下位機(jī)端實(shí)時(shí)傳輸至上位機(jī)端，實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸與顯示。上位機(jī)支持多形式數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 創(chuàng)新之處

相比傳統(tǒng)氣體檢測解決方案，文中提出的氣體檢測方案做出了以下改進(jìn)與創(chuàng)新：

1）采用RS485 總線通信，可同時(shí)檢測6 種氣體；根據(jù)實(shí)際需要，可以方便地?cái)U(kuò)展至32 路氣體檢測。

2）提出一種自適應(yīng)氣體檢測算法，可自動(dòng)識(shí)別所安裝的傳感器并進(jìn)行氣體檢測。

3）采用下位機(jī)到上位機(jī)端到端設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減小時(shí)延，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

4）獨(dú)立供電和便攜式設(shè)計(jì)，使其可搭載無人機(jī)在火場等人員不便進(jìn)入的場景開展氣體檢測作業(yè)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路部分可分為主控電路、氣體檢測電路、定位電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、無線通信電路和電源管理電路6 部分。主控電路采用基于ARM Cortex-M4 架構(gòu)的STM32F407 芯片作為控制核心。定位電路和無線通信電路基于安信可A9 模組，該模組兼具GPS 定位和GPRS 通信功能，通過串口和主控系統(tǒng)通信。

2.1 氣體檢測電路

2.1.1 傳感器選型

目前市面上較為主流的氣體檢測方案有霍尼韋爾、阿爾法、費(fèi)加羅等公司所生產(chǎn)的傳感檢測裝置；國內(nèi)有煒盛科技、精訊暢通、深國安等。但大多數(shù)廠家所生產(chǎn)的傳感器還需二次開發(fā)才能使用，增加了設(shè)計(jì)開發(fā)周期；同時(shí)，同一廠家不同種類的傳感器外形不一致，很難做到靈活地拔插替換，通用性較低。綜合考量，文中最終選擇精訊暢通JXM 系列傳感器，該系列傳感器提供模擬和數(shù)字雙輸出；此外，同一系列不同種類氣體傳感器外形一致，通用性高；并支持多達(dá)20 種可檢測氣體。

2.1.2 電路設(shè)計(jì)

氣體檢測電路采用單板獨(dú)立設(shè)計(jì)，位于頂層電路板上，詳見下位機(jī)檢測裝置。數(shù)據(jù)通信基于RS485 雙總線通信方案，最多可同時(shí)掛接32 個(gè)傳感器，中采用6 路檢測方案。其中，SP3485 實(shí)現(xiàn)TTL 和485 電平轉(zhuǎn)換；兩個(gè)120 Ω電阻為終端匹配電阻，一前一后分別置于傳感器陣列首和尾，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；兩個(gè)360 Ω電阻為偏置電阻，以保證總線空閑時(shí)仍有穩(wěn)定的壓差，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸亂碼，具體電路如圖2 所示。

圖2 氣體檢測電路圖

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

存儲(chǔ)電路采用板載FLASH 和可拔插SD 卡設(shè)計(jì)，如圖3 所示。FLASH 存儲(chǔ)芯片采用16 M 字節(jié)大小的W25Q128，基于SPI 全雙工通信，可供操作系統(tǒng)FreeRTOS 和文件管理系統(tǒng)Fatfs 使用。SD 卡存儲(chǔ)電路采用4 位并行SDIO 通信，以實(shí)現(xiàn)氣體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，47 kΩ上拉電阻用于避免SD 卡未插入或SD 卡驅(qū)動(dòng)處于高阻狀態(tài)時(shí)的總線浮動(dòng)。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路圖

2.3 電源管理電路

電源管理采用外接電源供電和內(nèi)部鋰電池供電兩種供電方式，具體電路如圖4 所示。

圖4 電源管理電路圖

外部電源通過USB 接口提供5 V 直流電壓供電池充電管理芯片TC4056A，最后從BAT 管腳輸出3.7 V 直流電壓，作為系統(tǒng)源電壓。

以源電壓為基礎(chǔ)獲取5 V和3.3 V電源電壓。5 V電壓獲取采用PS7516 升壓芯片，其中，VIN 最小輸入電壓為2.5 V，文中輸入電壓為3.7 V，滿足升壓要求，經(jīng)轉(zhuǎn)換從OUT 輸出5 V 電壓。沒有直接從USB 接口獲取5 V 電壓給相應(yīng)電路供電，是為了實(shí)現(xiàn)對外接USB 供電和內(nèi)部鋰電池供電的統(tǒng)一管理。3.3 V 電壓通過ASM1117 線性穩(wěn)壓芯片獲取。

為了應(yīng)對電源電路中的過充等情況，加入了相應(yīng)的的保護(hù)電路。其中，SI2301 場效應(yīng)管用來保護(hù)電池反接情況；DW01K 和8205 用來防止過充、過放和短路情況的出現(xiàn)。

3 軟件算法設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件架構(gòu)基于FreeRTOS[11]操作系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，如圖5 所示。系統(tǒng)上電初始化后，分3 個(gè)任務(wù)并行執(zhí)行，氣體問詢?nèi)蝿?wù)用于獲取有效氣體數(shù)據(jù)；GPS 問詢?nèi)蝿?wù)實(shí)時(shí)查詢氣體源所在物理位置；數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)將氣體濃度和物理位置數(shù)據(jù)打包后發(fā)送至云端，供上位機(jī)抓取。此外，氣體數(shù)據(jù)和GPS 數(shù)據(jù)由Fatfs[12]文件管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理。

圖5 下位機(jī)軟件框圖

3.1 自適應(yīng)氣體檢測算法

多組分氣體檢測采用主動(dòng)問詢方式，即主控器向總線發(fā)出一次問詢指令，匹配的傳感器會(huì)發(fā)出一幀有效數(shù)據(jù)作為應(yīng)答。但不同場景下使用的傳感器種類不同，為實(shí)現(xiàn)快速且正確的數(shù)據(jù)采集，文中提出了一種自適應(yīng)氣體檢測算法，基本流程如圖6 所示。

圖6 自適應(yīng)氣體檢測算法流程圖

檢測過程分為有效傳感器問詢和有效氣體數(shù)據(jù)問詢兩部分。首先確定氣體檢測裝置上的有效傳感器數(shù)量及種類。根據(jù)各傳感器地址的不同，通過RS485 總線依次發(fā)出主動(dòng)問詢指令，若有應(yīng)答，對應(yīng)答幀進(jìn)行解析，提取出有效地址，在緩存中查找與之匹配的傳感器種類，并作出有效標(biāo)記；反則，若無應(yīng)答，則該種類傳感器不存在，標(biāo)記無效。輪詢結(jié)束后，確定最終有效的傳感器及種類。然后對有效傳感器進(jìn)行氣體數(shù)據(jù)問詢，獲取氣體數(shù)據(jù)。根據(jù)已標(biāo)記的有效傳感器，依次發(fā)出氣體數(shù)據(jù)問詢指令，由于應(yīng)答數(shù)據(jù)一幀長度為10 字節(jié)，設(shè)定一個(gè)長度為10的計(jì)數(shù)器，以進(jìn)行有效幀數(shù)據(jù)的判斷。接收到應(yīng)答幀后，截取有效數(shù)據(jù)，即第5 字節(jié)(MSB)和第6 字節(jié)(LSB)，根據(jù)式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到最終的有效氣體數(shù)據(jù)。

該算法基于自適應(yīng)的思想，可以自動(dòng)識(shí)別有效傳感器，對有效傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)問詢，帶來了較大的靈活性。

3.2 氣體數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

為便于后期對采集到的氣體數(shù)據(jù)和GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存管理。文中基于Fatfs文件管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理，分為驅(qū)動(dòng)移植和自定義數(shù)據(jù)管理兩部分。驅(qū)動(dòng)移植是將FLASH 和SD 卡底層讀寫驅(qū)動(dòng)移植到Fatfs 中，供頂層API 調(diào)用；同時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要，對文件系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。

自定義數(shù)據(jù)管理即根據(jù)需要存儲(chǔ)所需的數(shù)據(jù)。其中，一個(gè)重要的環(huán)節(jié)是如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分門別類的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。具體做法是創(chuàng)建一個(gè)配置文件，用于記錄有效的傳感器種類；在每次系統(tǒng)上電時(shí)，讀取配置文件，為每種有效氣體創(chuàng)建一個(gè)新的存儲(chǔ)文件。對于每種氣體進(jìn)行一次有效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作可分為以下幾步：1）對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行封裝，包括加時(shí)間戳，結(jié)束符等；2）根據(jù)氣體種類打開相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件；3）指針偏移；4）寫入數(shù)據(jù)；5）地址偏移；6）更新并關(guān)閉文件。

3.3 端到端數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸方案

綜合藍(lán)牙、WIFI、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等無線通信方式的特點(diǎn)和實(shí)際需求[13-15]，文中下位機(jī)和上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS 通信[16]，將數(shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)智云云端，供上位機(jī)抓取。具體操作在數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)中實(shí)現(xiàn)，首先將氣體數(shù)據(jù)和GPS 數(shù)據(jù)打包，再進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，變成機(jī)智云平臺(tái)能夠識(shí)別的16 進(jìn)制格式數(shù)據(jù)，最后通過A9無線通信模組傳輸至云端；上位機(jī)從云端抓取數(shù)據(jù)包，進(jìn)行解析。

文中下位機(jī)將所有硬件進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，與上位機(jī)通信無需中轉(zhuǎn)硬件平臺(tái)，通過這種端到端的設(shè)計(jì)可以在便攜化系統(tǒng)的同時(shí)，降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，提高響應(yīng)速度。

3.4 上位機(jī)設(shè)計(jì)

基于Qt 跨平臺(tái)的特性，即在一種平臺(tái)編寫的上位機(jī)可以基本不做修改就可以在其他平臺(tái)運(yùn)行，文中上位機(jī)采用Qt 進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括從云端獲取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理與顯示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能，主界面如圖7所示。

圖7 上位機(jī)主界面圖

數(shù)據(jù)的獲取依靠機(jī)智云平臺(tái)提供的Open API，利用APP ID 和APP Secret 以及設(shè)備的DID 編號(hào)請求機(jī)智云相關(guān)網(wǎng)頁，連接服務(wù)器后解析json 獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)值，以餅狀圖和折線圖形式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)源位置的顯示整體使用html 網(wǎng)頁調(diào)用百度地圖API 實(shí)現(xiàn)，其中，QWebEngineView 控件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁的加載與顯示，QWebChannel控件負(fù)責(zé)與html中js腳本通信，向其傳遞GPS 參數(shù)并往地圖中添加位置標(biāo)記。數(shù)據(jù)的導(dǎo)出基于QTabWidget 控件實(shí)現(xiàn)excel 格式數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。

4 系統(tǒng)測試

下位機(jī)實(shí)物圖如圖8 所示，采用3 塊PCB 疊層設(shè)計(jì)，便于散熱的同時(shí)縮小檢測裝置的體積；其中，頂層為氣體采集板、中間層為主控板、底層為電源板。

圖8 下位機(jī)實(shí)物圖

為驗(yàn)證系統(tǒng)功能的可行性，對系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行測試。以氧氣和甲烷兩種氣體為例進(jìn)行測試，氧氣和甲烷分別采用濃度為20%和10%的潔凈氣體作為測試使用氣體。將下位機(jī)通過串口與PC 端相連，通過串口助手實(shí)時(shí)查看采集到的數(shù)據(jù)；將標(biāo)準(zhǔn)值與采集到的數(shù)據(jù)、SD 卡導(dǎo)出數(shù)據(jù)和上位機(jī)導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，得到的結(jié)果如表1 和表2 所示。從數(shù)據(jù)可知，下位機(jī)采集數(shù)據(jù)、SD 卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)以秒作為單位時(shí)，時(shí)間完全同步，可見系統(tǒng)實(shí)時(shí)性滿足要求。同時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差在1%以內(nèi)，滿足實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)要求。

表1 氧氣測試結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)值20%)

表2 甲烷測試結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)值10%)

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)氣體檢測方案存在的問題，文中提出了一種自適應(yīng)多組分氣體檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可支持多種類氣體檢測，提出的自適應(yīng)檢測算法可以實(shí)現(xiàn)傳感器的即時(shí)拔插替換，以適應(yīng)不同檢測場景的需求。裝置便攜式和獨(dú)立供電式的設(shè)計(jì)使其可以搭載無人機(jī)在火場等人員不便進(jìn)入的場景開展作業(yè)。端到端的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。通過實(shí)際測試表明，該系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值。