基于改進433M無線通信技術(shù)的多元化氣體遠程監(jiān)測及凈化系統(tǒng)

尹元躍 鄧帥 方亮 楊業(yè) 張靈元

摘要：為了準確有效的對實驗室排放的多元氣體進行連續(xù)自動檢測，運用計算機進行多點遠程監(jiān)測，本設(shè)計實現(xiàn)了一種基于改進433M無線通信技術(shù)的遠程氣體環(huán)境參數(shù)監(jiān)測及凈化系統(tǒng)。它由傳感器模塊、89C51為核心的信號處理模塊、風(fēng)機控制模塊、凈化模塊以及433M模塊組成。分析及試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以穩(wěn)定的實現(xiàn)定時或?qū)崟r傳輸數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)成本較低，可以廣泛應(yīng)用于化工，食品行業(yè)和毒氣檢測等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：多元氣體;遠程監(jiān)測;改進433M;凈化系統(tǒng)

中圖分類號：TP39;TN92

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）08-0099-06

Diversified Gas Remote Monitoring and Purification SystemBased on Improved 433M Wireless Communication Technology

YIN Yuan-yue，DENG Shuai.FANG Liang，YANG Ye.ZHANG Ling-yuan

（State Grid Anhui Electric Power Co..Ltd.Wuhu Power Supply Company，Wuhu Anhui 24100.China）

Abstract ： In order to accurately and effectively carry out continuous and automatic detection of multi-emission gasemitted in the laboratory，and use computers to perform multi-point remote monitoring，this design implements a re-mote gas environmental parameter monitoring and purification system based on improwed 433M wireless communi-cation technology.lt consists of sensor module，a signal processing module with 89C51 as the core.fan control mod-ule，purification module and 433M module.The results show that the system can transmit data in a timed or real-time manner.The cost of the system is low.and it can be applied in chemical industry，food industrv and toxic gas de-tection.

Key words ： multi-element gas;remote monitoring;improved 433M;purification svstem

0引言

隨著社會的進步和人類對環(huán)保意識的不斷增強，國家對環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的關(guān)注越來越多，構(gòu)建的覆蓋范圍廣、實時要求高、檢測數(shù)據(jù)準確的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成為了必然需求。

實驗室在安全與環(huán)境保護方面存在多種隱患，例如電氣設(shè)備實驗室中，設(shè)備用電功率過大，電路老化、設(shè)備過載、接地不良和靜電影響等的用電安全隱患;化學(xué)類實驗室中，易燃易爆的化學(xué)危險品過多，取用化學(xué)藥品、保存不合理以及有毒化學(xué)氣體的泄漏造成的化學(xué)藥品安全隱患;生物類實驗室中，病毒、菌種、標本以及其他生物危險因素的感染、泄漏造成的生物安全隱患;廢棄物實驗室中，廢液、廢氣和廢棄固體物泄漏造成環(huán)境污染等[1-3]。對上述實驗室環(huán)境的監(jiān)測，既可以確保高電壓、電離輻射、化學(xué)危險品、毒品、有害生物以及水、氣、火、電等危險來源有效控制以及環(huán)境的有效改善，而且可為實驗人員提供長期可靠的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，用于分析危險源的預(yù)防[4-5]。

傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測點通常地理位置分散且沒有電源供給，所以系統(tǒng)監(jiān)測得執(zhí)行效率低、人力成本高，再加上國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)參差不齊，檢測方式、原理、性能和精度存在差異，影響了檢測數(shù)據(jù)的準確性，且設(shè)備的老化和環(huán)境因素會降低檢測精準度和靈敏度，因此需要實驗人員定期對設(shè)備進行維護[6-9]。此外，傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)功能簡單、檢測數(shù)據(jù)單一、體積龐大等諸多問題，其配備的通信網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍、傳輸實時性以及成本很難滿足遠程監(jiān)測的需求[10-11]。

本文基于GPRS改進的433M無線傳輸技術(shù)，結(jié)合高性能氣體傳感器，設(shè)計并實現(xiàn)了具有多樣化氣體、溫濕度數(shù)據(jù)檢測，氣體的凈化的實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將運行狀態(tài)和檢測數(shù)據(jù)實時上傳，并通過大數(shù)據(jù)來分析該設(shè)備的運行狀態(tài)，此外，該設(shè)備還兼有傳感器壽命的預(yù)估系統(tǒng)，針對當系統(tǒng)問題提醒用戶進行維護，從而確保獲取數(shù)據(jù)準確性。

1多樣化氣體遠程監(jiān)測及凈化系統(tǒng)總體設(shè)計

多功能環(huán)境遠程監(jiān)測凈化系統(tǒng)包括一個主機、多個從機監(jiān)測采集系統(tǒng)、風(fēng)機控制系統(tǒng)以及凈化系統(tǒng)這4部分組成，上述部分通過433無線通訊實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備實時監(jiān)視，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

考慮到監(jiān)測點氣體和溫度的多元化、流動性特點，從機采集監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化組態(tài)設(shè)計，即可通過快速拆模塊解決移動和連續(xù)監(jiān)控出現(xiàn)器件老化損壞的問題。監(jiān)測過程中，可根據(jù)實驗室功能和不同需求，進行各種模塊的組合;考慮到監(jiān)測參數(shù)需要監(jiān)測主機在軟件中顯示并報警，監(jiān)測設(shè)備具有開放性的硬件接口，比如串口、網(wǎng)絡(luò)口，根據(jù)不同的監(jiān)測要求進行各類傳感器連接配置，如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場采用模塊化設(shè)計，該系統(tǒng)需N個現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊，且每個模塊可采集16點，共計Nx16路氣體、溫度傳感器采集5-30mA模擬信號，其各模塊間采用串口通信。

由于現(xiàn)場工作環(huán)境具有危險性且距離監(jiān)測主機較遠，為實現(xiàn)現(xiàn)場與工作站間的數(shù)據(jù)能穩(wěn)定、可靠傳輸，兩者之間采用基于GJPRS改進后的433M無線傳輸技術(shù)。作為人機交互作用，在實驗室內(nèi)運行上位機監(jiān)測主機。工作人員可通過上位機監(jiān)測主機軟件對系統(tǒng)的通信參數(shù)、傳感器參數(shù)、通道進行設(shè)置;監(jiān)測主機獲取、處理實驗室現(xiàn)場數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)畫圖、制表和數(shù)據(jù)分析。

1.1主機系統(tǒng)

主機系統(tǒng)的機殼采用壁掛式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能模塊分解如圖3、圖4所示。其主要用于現(xiàn)場工作人員的操作及查看。內(nèi)置操作顯示屏，使用改進后的433M無線通信可對從機、風(fēng)控裝置、凈化裝置進行參數(shù)設(shè)置以及各個裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集顯示;內(nèi)置人體紅外感應(yīng)裝置，在設(shè)備無人操作狀態(tài)使設(shè)備處于屏保狀態(tài)，起到節(jié)能省電作用，感應(yīng)人體時設(shè)備屏幕白動啟動;內(nèi)置語音系統(tǒng)，從機采集到環(huán)境氣體超標時，語音播報告警以及當工作人員進入現(xiàn)場時播報當前工作環(huán)境狀態(tài)。

1.2從機系統(tǒng)

從機系統(tǒng)的機殼采用鋁合金材質(zhì)，該裝置主要用于現(xiàn)場環(huán)境氣體的采集檢測。內(nèi)置多組份氣體檢測智能傳感器，采用紅外光譜原理技術(shù)，精度高、功耗低、重復(fù)性穩(wěn)定等優(yōu)點;內(nèi)置氣體采樣裝置，采用自吸式采集方式，把環(huán)境氣體以主動吸入的方式進行檢測;內(nèi)置鋰電池供電方式，可移動式檢測環(huán)境氣體，在無工作電源的場景也可保持常時間的工作狀態(tài)。該裝置采用改進后433M無線通信技術(shù)，使就地實時采集的環(huán)境氣體數(shù)據(jù)上傳主機。

作為人機交互的從機也工作在實驗室內(nèi)如圖5所示。

圖6所示為數(shù)據(jù)采集模塊電路圖。選用8位工業(yè)單片機AT89C2051作為數(shù)據(jù)采集控制器。多個傳感器的4-20mA電流信號經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換成1-5V的電壓信號，信號經(jīng)模擬多路復(fù)用開關(guān)MAX306和運算放大器MAX4123后進入A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1132實現(xiàn)模擬到數(shù)字信號的采集和轉(zhuǎn)換。

1.3風(fēng)機控制系統(tǒng)

風(fēng)機控制系統(tǒng)的機殼采用鋁合金材質(zhì)，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。內(nèi)置電源模塊、微型繼電器，采用改進后的443M無線通訊技術(shù)接收以及反饋主機的工作指令，從而達到對現(xiàn)場風(fēng)機啟停的控制。

1.4凈化系統(tǒng)

1）整體設(shè)計

凈化系統(tǒng)的機體采用萬向輪移動結(jié)構(gòu)，該裝置主要用于凈化環(huán)境空氣中有毒有害氣體，采用水稀釋和吸附劑（Y-X1型吸附劑、5A分子篩、日立吸附劑、KDHF-03）2種方式達到對有毒有害氣體的過濾凈化，通過改進后的443M無線通訊技術(shù)接收以及反饋主機的工作指令，如圖9所示。圖中數(shù)字代表的含義如下：1、改進后433M無線通訊模塊，2、把手，3、電源插口，4、空氣泵，5、電源模塊，6、吸附劑氣室，7、萬向輪，8、排水口，9、氣泡石，10、316不銹鋼內(nèi)膽，11、排氣口，12、注水口。

2）硬件電路設(shè)計

如圖10所示，系統(tǒng)的硬件由檢測、控制、空氣凈化、人機交互和電源模塊五部分設(shè)計組成。由模塊完成甲醛、有毒氣體、粉塵、氣體濃度、溫度和濕度等六種信息的檢測，作為室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測指標。通過ADC和串口采集各類氣體的模擬電壓量，從而完成各氣體濃度和凈化算法，最終由凈化模塊完成空氣凈化任務(wù)，提高室內(nèi)的空氣質(zhì)量。系統(tǒng)運行中的各項數(shù)據(jù)參數(shù)一方面可以顯示在液晶顯示屏，另外一方面用戶可通過手機藍牙遠程遙控和查看。

3）凈化模塊設(shè)計

凈化模塊即為室內(nèi)空氣過濾凈化裝置，其對提升室內(nèi)空氣的質(zhì)量起關(guān)鍵作用。本設(shè)計的采用5層過濾結(jié)構(gòu)的凈化模塊：初級過濾網(wǎng)、活性炭過濾網(wǎng)、FIEPA過濾網(wǎng)、HIMOP過濾層和加濕濾網(wǎng)。第一層為初級過濾網(wǎng)，其可以高效地吸附空氣中粉塵等顆粒，并為后部的過濾網(wǎng)提供一定的保護;活性炭過濾網(wǎng)為模塊的第二層，其原理是采用物理方法進行去除異味;位于中間層的HEPA過濾網(wǎng)不僅可以去除粉塵顆粒，還能吸附煙霧和細菌，具有極高的去除效率;HIMOP過濾層對于甲醛有超強的功效，同時可以濾除空氣中揮發(fā)性有機物、苯系物以及可吸入顆粒物等有害氣體;加濕濾網(wǎng)用來濕潤空氣，起到迅速降塵的作用。

2改進433M無線通訊

本設(shè)計針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計了一種基于GPRS技術(shù)、改進后的433M無線數(shù)傳技術(shù)和智能傳感器技術(shù)相結(jié)合的多功能環(huán)境遠程監(jiān)測凈化系統(tǒng)[11-16]，它不僅能同時對多個監(jiān)測點進行多種環(huán)境氣體數(shù)據(jù)采集、環(huán)境溫濕度進行監(jiān)測、就地風(fēng)機控制、空氣環(huán)境凈化等功能，而且能夠基于改進后433M無線通信協(xié)議將各個從機采集的數(shù)據(jù)匯聚到主機，主機則通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器，用戶可通過電腦或者手機上網(wǎng)實時查看環(huán)境空氣數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場查看監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)。

文中所述的氣體檢測及凈化系統(tǒng)是通過PM2.5傳感器、甲醛傳感器、溫濕度傳感器以及TVOC（總揮發(fā)性有機物）傳感器等實時采集室內(nèi)空氣的質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，通過服務(wù)器發(fā)送命令到系統(tǒng)，控制系統(tǒng)凈化模塊的運行。凈化系統(tǒng)是充分利用感知技術(shù)、通訊技術(shù)和智能控制技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的全面功能，系統(tǒng)采用3層體系結(jié)構(gòu)：即室內(nèi)環(huán)境氣體感知層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用服務(wù)層。

與傳統(tǒng)433M技術(shù)相比，改進433M技術(shù)的通信數(shù)據(jù)采用AES數(shù)據(jù)加密，保證數(shù)據(jù)通信安全性;數(shù)據(jù)都采用了強化版CRC校驗，提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力。每個終端設(shè)備內(nèi)部都做有中繼跳轉(zhuǎn)算法，實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間間隔通信。內(nèi)部增加數(shù)據(jù)重發(fā)機制，當某個終端設(shè)備通信五次不成功，通信主設(shè)備認為此終端設(shè)備處于離線狀態(tài)。系統(tǒng)的總體凈化結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。

室內(nèi)環(huán)境氣體感知層中最基本的就是各種不同功能的傳感器，通過適量的傳感器節(jié)點組成的感知網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對室內(nèi)空氣質(zhì)量的全面感知，并且通過無線網(wǎng)絡(luò)進行聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時匯聚與傳輸。通過模塊化結(jié)構(gòu)對各個感知節(jié)點進行設(shè)計，能夠有效的感知室內(nèi)的空氣質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)傳輸層即對各個網(wǎng)關(guān)節(jié)點的信息進行處理，完成交互和融合，通信技術(shù)采用改進的433無線通信技術(shù)。應(yīng)用服務(wù)層通過各個感知節(jié)點的信息，對凈化設(shè)備進行與否遠程操控。

3實際測試過程及分析

現(xiàn)將本系統(tǒng)應(yīng)用在實驗室進行系統(tǒng)測試，主界面顯示如圖12所示，可根據(jù)需要進入的實驗室，查看對應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。

當環(huán)境正常時，氧氣含量約在20.9%左右，其他氣體從機監(jiān)測的數(shù)值為0，此時可進入實驗室房間內(nèi)。

給各個實驗室通入各類有毒有害氣體、易燃易爆氣體時，從機采集到數(shù)值通過433M無線通訊傳輸給顯示主機界面，監(jiān)測到的氣體濃度實時顯示，如圖13所示。此時風(fēng)機會白動啟動，空氣凈化系統(tǒng)也會白動啟動。

當風(fēng)機啟動對室內(nèi)換風(fēng)后或者空氣凈化后，從機監(jiān)測到有毒有害、易燃易爆氣體數(shù)值為0后，室內(nèi)環(huán)境又恢復(fù)正常，此時風(fēng)機及凈化系統(tǒng)白動關(guān)閉。報警解除，人員可再次進入實驗室。

上述實驗證明了研究的基于改進433M無線通信技術(shù)的多元氣體檢測及凈化系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境的氣體進行檢測，當超標時會白動凈化空氣，空氣有害氣體含量低于閾值時，報警解除，具有良好的實際應(yīng)用效果。

4結(jié)語

為了準確有效地對實驗室排放的多元氣體進行連續(xù)自動的檢測，文章基于GPRS改進的433M無線傳輸技術(shù)，結(jié)合高性能氣體傳感器，詳細分析了主機系統(tǒng)、從機系統(tǒng)、風(fēng)機控制系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)以及上述系統(tǒng)的改進433無線通訊系統(tǒng)。分析及試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地實現(xiàn)定時或?qū)崟r傳輸數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)成本較低，可以廣泛應(yīng)用于化工，食品行業(yè)和毒氣檢測等領(lǐng)域。

參考文獻

[1]李志紅.100起實驗室安全事故統(tǒng)計分析及對策研究[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（4）：210-216.

[2]秦峰，黃強，袁久洪.高校實驗室安全事件的原因淺析與管理對策[J].實驗室研究與探索，2017，36（3）：302-306.

[3]沈文義，秦寧寧，孫順遠，等.基于MSP430和Lab-VIEW的瓦斯氣體無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J].服裝學(xué)報，2012（02）：142-148.

[4]陸桂明，王起龍，張澤坤，等.基于MC55的遠程氣體監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（09）：77-78+81.

[5]鄧福軍，朱建鴻，高美鳳.基于無線通信的遠程稱重監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（11）：154-157.

[6]徐學(xué)凱，劉宗文，白繼波.一種具有433M通信功能的智能門鈴及其智能門：CN206470907U[P].

[7]李悅.遠程環(huán)境氣體檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

[8]劉聰.基于多點檢測的空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計[J].山東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，33（3）：75-78.

[9]盧令.基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)空氣質(zhì)量智能感知與凈化系統(tǒng)[J].四川理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，31（4）：75-78.

[10]王秀.基于無線傳輸?shù)倪h程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2011，44（6）：95-96.

[11]李彥吉，齊利軍.牽引變電所室內(nèi)氣體和積水狀況遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].鐵道機車車輛，2019，39（03）：35-37+42.

[12]葉剛，趙靜，陳建偉.基于NDIR原理的多組分氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用與軟件，2019（08）：115-119+188.

[13]胡寶義，郭建偉.可燃氣體檢測報警器的校準及檢定方法分析[J].化工設(shè)計通訊，2019（06）：63+69.

[14]呂貴明，韓成浩.基于無線傳感網(wǎng)的煤層氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].吉林建筑大學(xué)學(xué)報，2019（02）：79-82.

[15]白雪.基于STM32的CO氣體便攜檢測裝置設(shè)計[J].信息記錄材料，2019（03）：31-33.

[16]趙曉明，孫希德.基于大數(shù)據(jù)的風(fēng)電設(shè)備遠程故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)研究[J].電力大數(shù)據(jù)，2019（04）：22-29.

收稿日期：2020-01-06

作者簡介：尹元躍（1971-），男，漢族，安徽蕪湖人，大學(xué)本科，高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)與自動化。