具有自組織組網(wǎng)能力的遠(yuǎn)程有害氣體檢測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)睿華

(山西省計(jì)量科學(xué)研究院，太原府西街29號(hào) 030000)

0 引言

有害氣體排放會(huì)造成嚴(yán)重的空氣污染，會(huì)對人體健康產(chǎn)生極大的危害。特別是甲烷、一氧化碳、硫化氫等可燃、易爆有害氣體還是造成煤炭、石油天然氣的勘探開采和化工等生產(chǎn)領(lǐng)域中重大安全事故的來源之一。對這些有害氣體進(jìn)行監(jiān)測，既要有源頭式監(jiān)控，在有害氣體可能產(chǎn)生的工廠、礦山以及化學(xué)品存儲(chǔ)地等源頭進(jìn)行常備式固定式的監(jiān)控;也要有移動(dòng)布放式的大范圍監(jiān)測，在污染源外圍、污染擴(kuò)散路徑、居民區(qū)、人口密集區(qū)等地進(jìn)行一定時(shí)間和范圍的監(jiān)測。因此，需要相關(guān)的可機(jī)動(dòng)式部署的有害氣體檢測裝置和監(jiān)測系統(tǒng)，既可以在平時(shí)生產(chǎn)中準(zhǔn)確有效的對此類易燃、易爆有害氣體進(jìn)行及時(shí)自動(dòng)的檢測和控制，同時(shí)，在事故發(fā)生后可快速部署，對污染范圍進(jìn)行預(yù)測和檢測，是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，保障人民健康的一個(gè)非常重要的手段。

目前，國內(nèi)外有害氣體檢測裝置的傳感器技術(shù)、檢測技術(shù)等方面已經(jīng)比較成熟。然而，市場上許多同類產(chǎn)品存在著功能單一、使用不便或者操作煩瑣、價(jià)格高昂等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程有害氣體檢測儀不僅能滿足多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)場合的精度要求，而且操作方便、體積重量小，價(jià)格低廉，具備自組織組網(wǎng)能力，既可單臺(tái)工作，也可以多套聯(lián)合工作，可以快速的實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的有害氣體監(jiān)測和污染范圍預(yù)測。

1 檢測原理

1.1 可燃?xì)怏w檢測

可燃?xì)怏w是石油化工等工業(yè)場合遇到最多的危險(xiǎn)氣體，它主要是烷烴等有機(jī)氣體和某些無機(jī)氣體，如一氧化碳等。

可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸必須具備一定的條件，那就是:一定濃度的可燃?xì)怏w，一定量的氧氣以及有足夠熱量點(diǎn)燃它們的火源，這就是爆炸三要素，缺一不可。在工作中，以LEL(最低爆炸限度)方式測量這些氣體的檢測儀多采用催化燃燒式檢測儀。它的原理是一個(gè)雙路電橋檢測單元。在其中的一個(gè)鉑金絲電橋上涂有催化燃燒物質(zhì)，正常情況下電橋是平衡的，輸出為零。當(dāng)有可燃?xì)怏w泄漏時(shí)，可燃?xì)怏w會(huì)通過傳感器元件的催化劑進(jìn)行無焰燃燒，產(chǎn)生熱量。鉑金絲電橋的電阻就會(huì)由于溫度變化發(fā)生改變，由此電橋平衡被打破，產(chǎn)生電壓差信號(hào)。被測的可燃?xì)怏w的濃度正比于此微小的電壓差信號(hào)，從而可以檢測到可燃?xì)怏w的濃度［1-2］。

1.2 有毒氣體檢測

有毒氣體既可以存在于生產(chǎn)原料中，如揮發(fā)性有機(jī)化學(xué)物質(zhì)(VOC)，也可能存在于生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)的副產(chǎn)品中，如氨、一氧化碳、硫化氫等等。它們是對工作人員造成危害最大的危險(xiǎn)因素。這種危害不僅包括立即的短期的傷害，如身體不適、發(fā)病、死亡等等，而且包括對于人體長期的危害，如致殘、癌變等等。目前，對于特定的有毒氣體的檢測，一般使用其對應(yīng)的氣體傳感器。其中，檢測無機(jī)氣體最為普遍、技術(shù)相對成熟、綜合指標(biāo)最好的方法是定電位電解式方法，也就是我們常說的電化學(xué)傳感器。

電化學(xué)傳感器的構(gòu)成是將兩個(gè)反應(yīng)電極在特定的電解液中放置兩個(gè)電極(PE和CE)，在兩個(gè)電極之間加上足夠的電壓，使透過涂有重金屬催化劑薄膜的待測氣體進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，形成了電解電流，即傳感器輸出為電流信號(hào)。通過測量該電流，可換算成檢測氣體的濃度。

目前，可以檢測到特定氣體的電化學(xué)傳感器包括:一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨氣、氯氣、氰氫酸、環(huán)氧乙烷、氯化氫等等。

對揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)進(jìn)行檢測，一般采用光離子檢測器(PID)。該檢測器使用具有一定能量的紫外光源作為氣體離子化能量源，當(dāng)氣體進(jìn)入檢測器通過紫外光源時(shí)被擊碎并離子化，帶電氣體電荷通過電極收集板產(chǎn)生電流，之后氣體“復(fù)合”為原來的形式流出儀器，測量產(chǎn)生電流就可相應(yīng)計(jì)算出氣體的濃度［3-4］。

1.3 氧氣檢測

氧氣的濃度也是在工業(yè)環(huán)境中，尤其是密閉環(huán)境中需要十分注意的因素。一般將氧氣含量超過23.5%稱為氧氣過量(富氧)，此時(shí)很容易發(fā)生爆炸的危險(xiǎn);而氧氣含量低于19.5%為氧氣不足(缺氧，此時(shí)很容易發(fā)生工人窒息、昏迷以至死亡的危險(xiǎn)。正常的氧氣含量應(yīng)當(dāng)在20.9%左右。氧氣檢測儀也是電化學(xué)傳感器的一種。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程有害氣體檢測儀由氣體檢測、終端顯示、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電源管理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苣K組成。

遠(yuǎn)程有害氣體檢測儀可對9種傳感器信息(8種氣體傳感器和1個(gè)溫度傳感器)進(jìn)行檢測，氣體傳感器信息如下:

·O2:0－30.0%

·H2S/CO:0－500 ppm

·SO2:0－150 ppm

·NO2:0－99.9 ppm

·HCN:0－30.0 ppm

·VOC(揮發(fā)性氣體):0－1000 ppm

·Combustible(易燃?xì)怏w):0－100%LEL

從遠(yuǎn)程有害氣體檢測儀的需求出發(fā)，考慮到其使用的環(huán)境及有可能是室內(nèi)，也有可能是野外，而且使用時(shí)還要考慮到安全性，使用人員會(huì)在穿有防護(hù)服的情況下操作，因此，有害氣體檢測儀的顯示界面要簡單明了，可以采用按鍵式或觸摸屏來進(jìn)行操作。終端顯示模塊顯示內(nèi)容如下:

·本機(jī)ID號(hào):每個(gè)檢測儀有唯一的ID號(hào)

·本機(jī)經(jīng)緯度和時(shí)間

·電池狀態(tài):包括電量、充放電狀態(tài)

·數(shù)據(jù)發(fā)送指示:數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)閃爍

·溫度顯示:當(dāng)前環(huán)境溫度

·各種氣體濃度變化曲線和當(dāng)前數(shù)值

·告警信息

·被監(jiān)測氣體超限報(bào)警，包括氣體種類，超過濃度上限和下限

·電池電量不足告警

參數(shù)設(shè)置模塊可通過下載預(yù)設(shè)置值或由功能按鍵調(diào)整參數(shù)的方式，設(shè)置終端的各項(xiàng)參數(shù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可存儲(chǔ)3天內(nèi)的GPS信息、溫度信息、各種氣體濃度信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以經(jīng)過USB口、藍(lán)牙接口等與U盤、手持式智能終端等交換數(shù)據(jù)。

電源管理模塊對可充電鋰電池的狀態(tài)，包括電量、充放電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)電池電量低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出低電量報(bào)警信號(hào)。

數(shù)據(jù)傳輸模塊包括無線網(wǎng)絡(luò)接口、藍(lán)牙接口、USB接口，可與中心站、手持式智能終端、U盤等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

遠(yuǎn)程有害氣體檢測儀采用鋁合金外殼，具備防水功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 氣體檢測電路

遠(yuǎn)程有害氣體檢測儀可以檢測8種氣體，這8種氣體傳感器中，VOC氣體傳感器采用光電離探測器，傳感器輸出為微弱電流信號(hào);可燃?xì)怏w傳感器采用插入式催化珠型，傳感器輸出為微弱電壓信號(hào);其它6種傳感器使用電化學(xué)傳感器，傳感器輸出為微弱電流信號(hào)。檢測過程圖1所示。

圖1 氣體檢測過程Fig.1 Gas detection process

不同類型的傳感器，其調(diào)理電路也不同，對于VOC氣體傳感器和可燃?xì)怏w傳感器，可以采用運(yùn)放構(gòu)成常見的電流或電壓檢測電路，將微弱的電流或電壓信號(hào)放大為標(biāo)準(zhǔn)的0～5V信號(hào)［3-5］。對于電化學(xué)傳感器，使用過程中需要提供激勵(lì)電壓，其調(diào)理電路相對復(fù)雜，此外每隔一定時(shí)間需要對其進(jìn)行校準(zhǔn)，因此采用TI公司推出的新型電化學(xué)模擬前端芯片LMP91000，可以大大簡化三電極電化學(xué)傳感器調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，它是專門為三電極電化學(xué)傳感器設(shè)計(jì)的可編程模擬前端芯片。它具有可編程的增益控制和溫度補(bǔ)償，能夠?qū)崿F(xiàn)電化學(xué)傳感器的自動(dòng)調(diào)零和智能校準(zhǔn)，大大提高測量精度。芯片具有的I2C總線，可以很方便實(shí)現(xiàn)傳感器的陣列設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多氣體測量［6］。具體電路如圖2所示。

圖2 電化學(xué)傳感器調(diào)理電路Fig.2 Electrochemical sensor conditioning circuit

3.2 核心處理電路

核心處理電路完成A/D變換、終端顯示、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電源管理、終端定位、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋榱吮苊馕廴经h(huán)境中腐蝕性氣體對設(shè)備的損害，采用雙模組設(shè)計(jì)，分置在不同的艙段內(nèi)。由低成本、低功耗的MSP430F5438為主構(gòu)成的氣體采集段電路，負(fù)責(zé)氣體采集、A/D變換、電源管理功能;由ARM嵌入式終端為主構(gòu)成密封段電路，負(fù)責(zé)終端顯示、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸功能［7-8］。核心處理電路構(gòu)成如圖3所示。

美國德州儀器公司(TI)的MSP430F5438單片機(jī)是基于RISC架構(gòu)的16位超低功耗單片機(jī)，內(nèi)部集成256KB閃存和16KB RAM，在1.8～3.6V的工作電壓范圍內(nèi)性能高達(dá)25MIPS。包含一個(gè)用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管理模塊，其功耗已經(jīng)達(dá)到了微安級(jí)。MSP430F5438內(nèi)部集成有多通道、高速 A/D轉(zhuǎn)換模塊，能提供多通道12位精度的A/D轉(zhuǎn)換，其最大采樣速率可以達(dá)到200ksps。采用該微控器，配合簡單的外圍電路，可以很好地滿足氣體檢測數(shù)據(jù)采集的要求。

圖3 核心處理電路構(gòu)成Fig.3 Core processing circuit

ARM嵌入式終端帶有5.0寸高清晰LCD觸摸屏，分辨率 800×480;3個(gè) RS232/RS485，可連接GPS、Zigbee通信模塊和藍(lán)牙通信模塊;1個(gè) USB HOST/DEVICE，可外接U盤，鼠標(biāo)和鍵盤;此外還支持SD卡和板載NAND FLASH方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，內(nèi)置RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘(可斷電保護(hù))，具有看門狗管理功能，支持WINDOWSCE5.0正版操作系統(tǒng)，工作功耗不大于1.8W。

3.3 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊采用CC2530為核心器件，它是德州儀器公司推出的完整的用于2.4GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee 的第二代片上系統(tǒng)解決方案。CC2530在單個(gè)芯片上集成了 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz頻段的 RF無線電收發(fā)機(jī)和一個(gè)高性能低功耗的8051微控制器，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和抗干擾性，特別適用于搭建功能健全價(jià)格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)［9-10］。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)通常由三種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成:Coordinator、Router和 End Device。Coordinator的功能是用來創(chuàng)建一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)，并為最初加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配地址，每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)需要且只需要一個(gè)Coordinator;Router也稱為Zigbee全功能節(jié)點(diǎn)，可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，起到路由的作用，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)成一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，還能保持網(wǎng)絡(luò)，為后加入的節(jié)點(diǎn)分配地址;End Device是終端節(jié)點(diǎn)，通常定義為電池供電的低功耗設(shè)備，通常只周期性發(fā)送數(shù)據(jù)，不接收數(shù)據(jù)。

有害氣體檢測儀中的Zigbee模塊的主要功能是無線數(shù)據(jù)傳輸，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨時(shí)能夠收發(fā)數(shù)據(jù)，所以節(jié)點(diǎn)的配置只有Coordinator，Router，可以通過軟件配置，多個(gè)有害氣體檢測儀組成的網(wǎng)絡(luò)如下圖所示，這樣的網(wǎng)絡(luò)通常也稱為MESH網(wǎng)(即:網(wǎng)狀網(wǎng))，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以收發(fā)數(shù)據(jù)，同時(shí)也能擔(dān)任其它節(jié)點(diǎn)的路由器，而且，所有的數(shù)據(jù)傳輸路由都是自動(dòng)計(jì)算的，無需用戶干預(yù)。

圖4 有害氣體檢測儀遠(yuǎn)程組網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.4 Remote network topology of Harmful Gas Detector

4 試驗(yàn)測試及結(jié)果分析

為了對遠(yuǎn)程有害氣體檢測儀的氣體檢測功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試，參考JJG 695—2003《硫化氫氣體檢測儀檢定規(guī)程》及 JJG 693—2004《可燃?xì)怏w檢測報(bào)警器檢定規(guī)程》，由標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)氣瓶－減壓器－流量計(jì)組成測試檢定裝置。測試結(jié)果，證明該有害氣體檢測儀達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

為了測試遠(yuǎn)程有害氣體檢測儀的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸距離及組網(wǎng)能力，設(shè)置無障礙實(shí)驗(yàn)環(huán)境，測得點(diǎn)對點(diǎn)的通訊距離可達(dá)400 m以上。通過多個(gè)遠(yuǎn)程有害氣體檢測儀進(jìn)行組網(wǎng)測試，可以實(shí)現(xiàn)自組織組網(wǎng)功能，多跳通信距離可以達(dá)到2000 m以上。

5 結(jié)論

遠(yuǎn)程有害氣體檢測儀可對9種傳感器信息進(jìn)行采集，可對氧氣、硫化氫、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、氰化氫、可燃?xì)怏w以及有機(jī)揮發(fā)性氣體等8種有害氣體進(jìn)行檢測。同時(shí)，采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具備自組織組網(wǎng)能力，該遠(yuǎn)程有害氣體檢測儀既可單臺(tái)工作，也可以多套聯(lián)合工作，采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)大氣體檢測儀的應(yīng)用和覆蓋范圍。此外，該設(shè)備還具有操作方便、體積小重量輕，功耗低，值守時(shí)間長的特點(diǎn)?？梢钥焖俚膶?shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的有害氣體監(jiān)測和污染范圍預(yù)測。

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