NFC探氣儀的設(shè)計(jì)與研究

鄭瑞蘭 張宗權(quán) 韋夢佳 梁建奇 胡世云

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一款便捷、節(jié)能的氣體探測儀。檢測儀通過氣體感應(yīng)器對空氣中的氣體濃度進(jìn)行檢測，分析氣體成分并將標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度和實(shí)測氣體濃度進(jìn)行比較，從而有效鑒別有害氣體，并將檢測結(jié)果通過NFC傳遞給軟件終端，時(shí)時(shí)監(jiān)控空氣中的氣體濃度。更早地發(fā)現(xiàn)氣體泄漏事件，做好預(yù)防。本檢測儀具有體積小、功耗低、精確度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用于環(huán)保、家庭環(huán)境監(jiān)控等行業(yè)。

關(guān)鍵詞：便攜；節(jié)能；檢測儀；報(bào)警；氣體

一、 引言

現(xiàn)如今，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，其中氣體污染對人們健康造成的威脅也越來越深。氣體污染無時(shí)無刻不在發(fā)生著，我們可能無法阻止氣體污染的發(fā)生，但是我們可以盡可能地去降低氣體污染的發(fā)生概率。隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，人們在日常生活中會(huì)遇到各種危險(xiǎn)源，其中就包括有害氣體。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增加，人們對氣體污染、氣體環(huán)境檢測也提出了越來越高的要求。

然而，目前國產(chǎn)的氣體檢測儀普遍存在選擇性、穩(wěn)定性差且離散性較大等缺陷。采用NFC（藍(lán)牙）傳輸信息及時(shí)報(bào)警，具有穩(wěn)定性高、壽命長、檢測氣體種類多，并且在較低濃度下即可檢測、受環(huán)境干擾因素較小等明顯優(yōu)點(diǎn)。檢測簡單氣體，通過顯示屏顯示氣體名稱；及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)氣體，給予警報(bào)，避免意外發(fā)生。

二、 產(chǎn)品的特點(diǎn)和優(yōu)勢

本產(chǎn)品不僅能夠應(yīng)用于工業(yè)檢測，在民用方面，也能給予無嗅覺的人認(rèn)識(shí)氣味的可能，并且在家庭中及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤氣泄漏，防止意外發(fā)生，特別是只有孤寡老人或年幼小兒在家的時(shí)候，能大大提高安全指數(shù)，在醫(yī)學(xué)方面也有很大用途。其特點(diǎn)在于：能幫助無嗅覺的人知道氣體；及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)氣體，給予警報(bào)，避免意外發(fā)生；藍(lán)牙式信息發(fā)送通知具有先進(jìn)性和創(chuàng)新性；并且本產(chǎn)品具有硬件組成簡單、讀數(shù)方便、準(zhǔn)確度高、選擇性好、可靠性高、不依靠于氧氣、安全系數(shù)高、壽命長及使用簡單明了等優(yōu)點(diǎn)。并且我們的產(chǎn)品成本低廉，我們產(chǎn)品中的傳感器使用的是碳納米管化合物芯片，蒂莫西·斯瓦格（Timothy Swager）曾以第一作者的身份在《美國化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）上發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)介紹了這種傳感器。這種傳感器在5秒內(nèi)就能檢測到10 ppm（parts per million，百萬分率）的有毒氣體。據(jù)蒂莫西·斯瓦格（Timothy Swager）介紹：“1克碳納米管原材料就可以制作400萬個(gè)這種傳感器，成本僅需5美分！”核心部件的芯片價(jià)格低廉，也帶動(dòng)著整個(gè)產(chǎn)品成本價(jià)格的全民化。

三、 產(chǎn)品主要部件功能簡介

（1）碳納米管化合物芯片：碳納米管具有表面積小、機(jī)械強(qiáng)度高、硬度大、熱穩(wěn)定性高、吸附特性及特有的電學(xué)特性等性質(zhì)。

（2）點(diǎn)陣式液晶顯示屏：實(shí)現(xiàn)漢字顯示，便于消費(fèi)者知曉氣體名稱。

（3）泵氣口：可以很好地增加氣體流量，在相同時(shí)間下，儀器過濾更多氣體，使得設(shè)備靈敏度得以提升。

（4）蜂鳴器播音孔：當(dāng)檢測到危險(xiǎn)氣體濃度達(dá)到用戶所設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，給予報(bào)警提醒。

（5）無線藍(lán)牙：無線藍(lán)牙傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的通信，環(huán)境建立通用的無線電空中接口（Radio Air Interface），將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來，通過藍(lán)牙傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離報(bào)警效果。

四、 產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路與原理

本產(chǎn)品通過分析氣體成分及將標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度和實(shí)測氣體濃度進(jìn)行比較，從而有效鑒別有害氣體，及時(shí)報(bào)警，客觀指示。本產(chǎn)品傳感器的電路集成在高導(dǎo)電率的碳納米管上，產(chǎn)品外部包裹一層絕緣材料。當(dāng)傳感器暴露于有毒氣體之中，外部絕緣材料會(huì)受腐蝕而緩慢分解，碳納米管的導(dǎo)電性則隨之急劇上升。主控制器通過對簡單氣體中的分子大小及組成進(jìn)行分析，發(fā)送氣體信息至儀器中的控制芯片，通過微電子和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫判斷該氣體，用語音或顯示器讓人們知道該氣體。氣體檢測儀通過將氣體傳感器采集的物理或者化學(xué)非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過外部電路對以上電信號(hào)整流、濾波等處理，并通過這些處理以后的信號(hào)控制相應(yīng)的模塊，實(shí)現(xiàn)氣體探測的各項(xiàng)具體功能。

NFC探氣儀程序設(shè)計(jì)思路：進(jìn)入主程序后，首先對控制器進(jìn)行初始化，包括I/O口初始化、氣體傳感器初始化等。初始化后，判斷儀器是否和可移動(dòng)式軟件進(jìn)行了藍(lán)牙配對，藍(lán)牙配對成功后，控制器打開基本傳感器，然后進(jìn)入while（1）主循環(huán)。在主循環(huán)中刷新LCD液晶屏顯示，然后檢查是否需求報(bào)警，若需要?jiǎng)t出報(bào)警信息，若不需要?jiǎng)t進(jìn)入睡眠模式。如果有中斷請求，則進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序，完成中斷處理程序后重新回到while（1）主循環(huán)。程序通過中斷處理、程序完成液晶屏顯示、按鍵掃描以及報(bào)警處理等操作。程序在while（1）循環(huán)等待時(shí)，微控制器進(jìn)入低功耗模式，關(guān)閉CPU，節(jié)省電能。當(dāng)有按鍵操作或者定時(shí)器中斷請求時(shí)，微控制器從低功耗模式下喚醒，進(jìn)入活動(dòng)模式。

五、 產(chǎn)品還存在的不足

目前我國在該產(chǎn)品方面有以下缺點(diǎn)：產(chǎn)品質(zhì)量不高、性能不穩(wěn)定，一致性較差，故障率高、研究開發(fā)能力較低，在線監(jiān)測儀器的系統(tǒng)配套生產(chǎn)能力較低，不能適應(yīng)市場的需要。

六、 結(jié)語

目前市場上出現(xiàn)的設(shè)備只能檢測單一氣體，且在非實(shí)驗(yàn)室條件下，因?yàn)闅怏w比較分散、劑量水平低等問題使得設(shè)備并不具有實(shí)驗(yàn)室測試條件下的靈敏度。而我們的設(shè)備可以檢測不僅僅一種人體無法識(shí)別的氣體，且我們產(chǎn)品中的泵氣孔可以很好地增加氣體流量，在相同時(shí)間下，儀器過濾更多氣體，使得設(shè)備靈敏度得以提升。當(dāng)前市場很缺少我們這種功能齊全的設(shè)備，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)在社會(huì)市場，社會(huì)需求量還是很大的。

而我們的產(chǎn)品采用NFC（藍(lán)牙）傳輸信息，報(bào)警及時(shí)，且具有穩(wěn)定性高、壽命長、檢測氣體種類多，并且在較低濃度下即可檢測、精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依靠于氧氣、受環(huán)境干擾因素較小等明顯優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)將在未來逐步成為市場主流。（指導(dǎo)老師：徐傳友）

參考文獻(xiàn)：

[1]尚中鋒，陳存廣，盧小可，等.新型智能氣體探測器：CN202362263U[P].2012.

[2]吳珂，朱凱，黃志義，等.基于紅外光譜研究瀝青燃燒機(jī)理和有害氣體成分分析[J].光譜學(xué)與光譜分析，2012，32（8）：002089-2094.

[3]楊軍.NFC技術(shù)的應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及測試[J].現(xiàn)代電信科技，2009，39（10）：1-5.

[4]黃為勇，童敏明，任子暉.采用熱導(dǎo)傳感器檢測氣體濃度的新方法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（4）：973-975.

[5]王媛.基于藍(lán)牙傳輸?shù)男畔⒎?wù)技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[6]惠國華，陳裕泉.基于碳納米管微傳感器陣列和隨機(jī)共振的氣體檢測方法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（2）：179-182.

[7]消息中國水果蔬菜網(wǎng).水果保鮮新科技[J].中國果菜，2015（2）：40.

[8]馮永成，瞿美臻，周固民，等.碳納米管在導(dǎo)電涂料中的應(yīng)用研究——（Ⅰ）碳納米管對導(dǎo)電涂料導(dǎo)電性的影響[J].高分子材料科學(xué)與工程，2004，20（2）：133-135.

[9]喬忠.便攜式氣體檢測儀的設(shè)計(jì)與研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2016.

作者簡介：鄭瑞蘭，張宗權(quán)，韋夢佳，梁建奇，胡世云，安徽省阜陽市，阜陽師范學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院。