基于物聯(lián)網(wǎng)的聲表面波傳感器陣列檢測(cè)系統(tǒng)研究

劉鑫璐，王　文，潘　勇，邵晟宇，穆　寧

(1.中國(guó)科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京100190;2.防化研究院，北京102205)

?

基于物聯(lián)網(wǎng)的聲表面波傳感器陣列檢測(cè)系統(tǒng)研究

劉鑫璐1，王文1，潘勇2，邵晟宇2，穆寧2

(1.中國(guó)科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京100190;2.防化研究院，北京102205)

摘要：針對(duì)目前日益突出的公共安全和生產(chǎn)安全問(wèn)題的突發(fā)性和不確定性，提出了將聲表面波傳感器陣列與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的毒害氣體檢測(cè)系統(tǒng)，并給出了毒害氣體檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，分別從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和聲表面波技術(shù)兩方面驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，該系統(tǒng)采用了ZigBee通信技術(shù)和GPS定位手段，利用涂覆不同敏感膜的4通道聲表面波傳感器陣列及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)H2S、SO2等毒害氣體的檢測(cè)和報(bào)警，組建了成熟的便于定位的傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo).

關(guān)鍵詞：聲表面波；物聯(lián)網(wǎng)；氣體傳感器陣列；ZigBee；GPS

0引言

隨著全球工業(yè)化步伐不斷加快，日益擴(kuò)大的工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的各種各樣的毒害氣體對(duì)人類的危害也愈加嚴(yán)重．特別是毒害氣體的生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用中存在較大的突發(fā)性和不確定性危險(xiǎn)，威脅著生產(chǎn)者和居民的人身安全．此外隨著人類健康和安全意識(shí)的不斷提高，人們開(kāi)始對(duì)室內(nèi)外空氣質(zhì)量，車內(nèi)空氣污染等公共領(lǐng)域的安全越發(fā)關(guān)注，迫切需要能夠監(jiān)測(cè)、預(yù)警、應(yīng)對(duì)公共和生產(chǎn)安全事件的科技手段[1]．

近些年便攜式的氣體傳感設(shè)備不斷發(fā)展，技術(shù)手段也各有特點(diǎn)，其中聲表面波傳感技術(shù)以其靈敏度高、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)在氣體傳感領(lǐng)域發(fā)展較為成熟，同時(shí)結(jié)合目前廣泛應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的聲表面波傳感器陣列毒害氣體檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)具有定位、采集、報(bào)警動(dòng)能的在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，在生產(chǎn)和公共安全領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用和市場(chǎng)前景．

1物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

ZigBee技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)中主要通信基礎(chǔ)，是一種低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、節(jié)點(diǎn)體積小的雙向無(wú)線通訊技術(shù)，凡是具有上述特征或要求的場(chǎng)合都可應(yīng)用.隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)ZigBee技術(shù)的探索也越來(lái)越深入，特別是根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，發(fā)展出采用ZigBee的室內(nèi)區(qū)域定位技術(shù)更是開(kāi)拓了ZigBee的應(yīng)用領(lǐng)域.ZigBee目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到工業(yè)過(guò)程控制、設(shè)備遙感遙控、智能交通系統(tǒng)和醫(yī)療與健康監(jiān)護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域[2]．

隨著ZigBee協(xié)議框架的發(fā)展，目前在470 MHz和2.4 GHz頻段上拓展了ZigBee的應(yīng)用條件，特別是在470 MHz頻段上，有效傳輸距離可以到的1 200 m，這對(duì)于ZigBee在戶外環(huán)境的應(yīng)用具有重要意義[3]．

此外物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的重要組成部分，全球定位系統(tǒng)GPS以其具有的全天候、高精度和自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)，作為先進(jìn)的測(cè)量手段和新的生產(chǎn)力，已經(jīng)融入了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域[4-5]．

2聲表面波氣體傳感技術(shù)

聲表面波(SAW)氣體傳感器是Wohltjen于1979年提出來(lái)的[6]，其基本結(jié)構(gòu)原理如圖1．

在一塊壓電基片上使用半導(dǎo)體工藝制作2個(gè)叉指換能器，分別為發(fā)射換能器和接收換能器，還有兩個(gè)反射柵分別在叉指換能器兩側(cè)，形成雙端對(duì)聲表面波諧振器，通過(guò)放大器的正反饋構(gòu)成振蕩回路，并將產(chǎn)生的頻率信號(hào)輸出[7]．

由于聲表面波器件本身對(duì)氣體并不會(huì)產(chǎn)生敏感作用，需要在聲表面波器件的兩個(gè)叉指換能器之間涂覆具有氣體選擇性的聚合物薄膜涂層，通過(guò)這種聚合物涂層對(duì)待測(cè)氣體的吸附作用，引起器件中聲表面波傳播速度變化，最終體現(xiàn)為聲表面波振蕩器的輸出頻率變化，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于氣體的檢測(cè)[8-9]．

圖1　聲表面波氣體傳感器原理圖

隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)氣體傳感器的應(yīng)用具有一定局限性，不能滿足復(fù)雜環(huán)境下的氣體檢測(cè)，為了摒除檢測(cè)的局限性，發(fā)展起來(lái)的采用模式識(shí)別等數(shù)據(jù)處理方法的傳感器陣列形式逐漸成熟，并成為解決復(fù)雜環(huán)境下氣體檢測(cè)的趨勢(shì)．

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的ZigBee和GPS與聲表面波氣體傳感器陣列結(jié)合，構(gòu)建由主控中心和傳感器終端組成的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2　系統(tǒng)架構(gòu)圖

在系統(tǒng)的主控中心中，主要完成對(duì)傳感器終端的命令連接、傳感器數(shù)據(jù)獲??；對(duì)所有連接到主控中心的傳感器終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括對(duì)各個(gè)傳感器終端的位置信息定位，傳感器采集數(shù)據(jù)顯示和檢測(cè)結(jié)果報(bào)警．

在系統(tǒng)的傳感器終端中，首先完成聲表面波氣體傳感器的制備，然后采用振蕩電路的形式產(chǎn)生傳感器信號(hào)．利用處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集，以及包括數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)處理方法的建立，氣體識(shí)別等功能．即傳感器終端可以脫離主控中心獨(dú)立運(yùn)行，集成的數(shù)據(jù)處理算法可以進(jìn)行被測(cè)氣體的識(shí)別，進(jìn)行實(shí)時(shí)的被測(cè)物判別，并對(duì)超限濃度的被測(cè)氣體進(jìn)行報(bào)警．當(dāng)主控中心請(qǐng)求連接時(shí)，終端附加定位信息，通過(guò)通信部分與系統(tǒng)主控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換．

3.2主要功能設(shè)計(jì)

(1)聲表面波氣體傳感器的制備.目前系統(tǒng)主要應(yīng)用于環(huán)境氣體的檢測(cè)，大氣中毒害氣體主要是SO2、H2S、NO2等以及工業(yè)生產(chǎn)中遇到的NH3，故選擇的氣體敏感膜材料為TEA、PECH、谷氨酸鹽酸鹽和BSP．

表1中列出了敏感膜材料與其敏感氣體的對(duì)應(yīng)關(guān)系．

表1　敏感膜材料與被測(cè)氣體對(duì)應(yīng)關(guān)系

利用4種敏感膜材料進(jìn)行聲表面波氣體傳感器的制備.為保證制備的傳感器具有良好的性能一致性，通常采用膜材料旋涂的方式制做，即是將制作完成的聲表面波器件晶元整體旋轉(zhuǎn)拋灑涂覆，這樣得到的傳感器敏感膜厚度均勻，傳感器器件性能一致性好，便于傳感器更新替換．

(2)聲表面波氣體傳感器終端硬件設(shè)計(jì).傳感器終端電路的構(gòu)成原理圖如圖3.

圖3　傳感器終端結(jié)構(gòu)框圖

傳感器陣列是利用放大器和移向網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建5路聲表面波氣體傳感器振蕩電路，其中4路為聲表面波氣體傳感器，另1路為未涂覆敏感膜的空白聲表面波器件，其作用是對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，結(jié)構(gòu)框圖如圖4．

圖4　傳感器陣列結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)FPGA采集傳感器陣列的信號(hào)并發(fā)送到SoC，SoC通過(guò)內(nèi)部分?jǐn)?shù)據(jù)處理算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、算法驗(yàn)證、判定完成對(duì)被測(cè)氣體的識(shí)別，并根據(jù)設(shè)定的報(bào)警閾值進(jìn)行報(bào)警．

當(dāng)傳感器終端收到主控中心的數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，終端整合采集到的傳感器數(shù)據(jù)和定位信息，上傳到主控中心．

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中的聲表面波氣體傳感器采用300 MHz的諧振器形式設(shè)計(jì)，涂覆TEA、PECH、谷氨酸鹽酸鹽和BSP4種敏感膜，采用有源振蕩器的電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)嵌入式處理器將傳感器陣列的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理和分析，并與主控中心進(jìn)行通信．傳感器終端經(jīng)過(guò)集成采用內(nèi)部自帶的氣泵進(jìn)行氣體采集.主控中心由帶有ZigBee通信主節(jié)點(diǎn)的筆記本電腦及相應(yīng)上位機(jī)軟件構(gòu)成．系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)如圖5.

圖5　系統(tǒng)實(shí)物圖

(1)系統(tǒng)定位與通信測(cè)試.系統(tǒng)中的傳感器終端可獨(dú)立運(yùn)行監(jiān)測(cè)，也可由一個(gè)主控中心對(duì)5臺(tái)傳感器終端進(jìn)行控制，獲取相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)和位置信息．

系統(tǒng)在室外進(jìn)行了ZigBee無(wú)線通信與GPS定位的功能驗(yàn)證，主控中心上對(duì)傳感器終端的定位情況如下圖6，其中所有地圖為谷歌離線地圖．由上可見(jiàn)，系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了主控中心對(duì)傳感器終端的控制和傳感器終端定位信息的上傳。

(2)系統(tǒng)氣體實(shí)驗(yàn)測(cè)試.在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)5臺(tái)傳感器終端分別進(jìn)行SO2、H2S、NO2、NH3氣體的檢測(cè)，氣體濃度均為系統(tǒng)預(yù)期檢出下限5 mg/L，將每個(gè)傳感器實(shí)時(shí)采集的頻率結(jié)果匯總?cè)缦聢D7.表2中匯總了5臺(tái)傳感器終端對(duì)4種被測(cè)氣體的響應(yīng)值以及報(bào)警情況.

由此可見(jiàn)聲表面波氣體傳感器可對(duì)低濃度的被測(cè)毒害氣體有迅速而明顯的頻率響應(yīng)，傳感器系統(tǒng)具有較低的檢出限，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值．

圖6　主控中心定位信息顯示圖

表2　傳感器終端的氣體響應(yīng)列表

圖7　傳感器響應(yīng)結(jié)果

5結(jié)論

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聲表面波傳感器陣列毒害氣體檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)不僅使得聲表面波氣體傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域得到了拓寬，也填補(bǔ)了物聯(lián)網(wǎng)在復(fù)雜環(huán)境氣體檢測(cè)領(lǐng)域的空白，系統(tǒng)的試制成功對(duì)公共安全和生產(chǎn)安全領(lǐng)域環(huán)境在線實(shí)時(shí)檢測(cè)具有重大意義．

參考文獻(xiàn)：

[1]施文.有毒有害氣體檢測(cè)儀器原理和應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:1.

[2]劉濤濤.基于ZigBee技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 2014.

[3]高福友.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)前端設(shè)備社區(qū)安防系統(tǒng)研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,32(4):120-124.

[4]孫玉勝.淺析山區(qū)靜態(tài)GPS控制網(wǎng)高程擬合問(wèn)題[J].新疆有色金屬,2011,34(5):23-24.

[5]牟乃夏,鐘士金,王復(fù)明，等.GPS控制點(diǎn)在公路電子地圖中的應(yīng)用[J].鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,22(2):89-91.

[6]鄒小紅,郭成海,史瑞雪.聲表面波氣體傳感器的設(shè)計(jì)[J].化學(xué)傳感器,2000，20(3)：6-11.

[7]肖鳴山,宋道仁.聲表面波器件基礎(chǔ)[M]. 山東科學(xué)技術(shù)出版社，1980:1.

[8]駱國(guó)芳,呂暉,曹丙慶，等.聲表面波氣體傳感器化學(xué)敏感膜研究進(jìn)展[J].分析儀器,2007(3):1-5.

[9]楊楷,李志剛,景玉鵬，等.聲表面波氣體傳感器的研究進(jìn)展[J].電子元件與材料,2008,27(9):26-30.

Design of the Poison Gas Detection System with IOP and Surface Acoustic Wave Sensor Array

LIU Xinlu1, WANG Wen1, PAN Yong2,SHAO Shengyu2,MU Ning2

(1.Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2.Research Institute of Chemical Defense, Beijing 102205, China)

Abstract:In view of the increasingly prominent problem of sudden and uncertainty of the public security and production safety, toxic gas detection system with surface acoustic wave sensor array and Internet of things technology is proposed in this paper. It presents a design scheme of toxic gas detection system, and verifies the feasibility of the system respectively from the Internet of things technology and acoustic surface wave technology. The system realizes gas detection and alarm by using ZigBee, GPS, and the different sensitive coating film 4 channel surface acoustic wave sensor array and the corresponding data processing algorithm and so on. It has formed a mature facilitate localization of sensor network. Through the experiment the system achieves the expected goal.

Key words:surface acoustic wave; the Internet of things; gas sensor array; ZigBee; GPS

中圖分類號(hào)：TB52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201512003

作者簡(jiǎn)介：劉鑫璐(1987—)，中國(guó)科學(xué)院助理研究員，從事聲表面波傳感器系統(tǒng)應(yīng)用研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11374254、11274340)

收稿日期:2015-12-01；

修訂日期：2016-01-03

文章編號(hào):1671-6833(2016)02-0058-04

引用本文：劉鑫璐，王文，潘勇，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的聲表面波傳感器陣列檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2016，37(2)：58-61.