基于嵌入式系統(tǒng)的受限空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

付 屾，周 嚴(yán)

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

0 引言

近年來(lái)，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種受限空間作業(yè)過(guò)程中的環(huán)境信息檢測(cè)，但普遍功能單一，只限于對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，無(wú)法依據(jù)信息對(duì)人員分布情況做出判斷，同時(shí)傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸線路復(fù)雜，維護(hù)困難[1-4]?；谝陨鲜芟蘅臻g環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)了一種包括氣壓、氧含量檢測(cè)和報(bào)警功能的手持式數(shù)據(jù)采集終端。通過(guò)差分氣壓法檢測(cè)相對(duì)海拔高度實(shí)現(xiàn)人員定位功能。氧含量數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)報(bào)警的判斷依據(jù)。手持終端通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)人工報(bào)警[5-6]。針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸遠(yuǎn)距離、阻隔多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于 LoRa通信技術(shù)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮 LoRa技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在信號(hào)阻隔嚴(yán)重的情況下將信息匯聚至中繼設(shè)備，并再次發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于人員定位穩(wěn)定精確，需要考慮的干擾條件較少；氧含量檢測(cè)儀器體積小，精確度高，對(duì)受限空間作業(yè)影響小；在數(shù)據(jù)傳輸中，充分發(fā)揮LoRa技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)、穿透性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，將數(shù)據(jù)及時(shí)可靠地傳輸至監(jiān)測(cè)中心，并降低了系統(tǒng)成本。

1 嵌入式系統(tǒng)硬件與內(nèi)嵌軟件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件構(gòu)成見(jiàn)圖1，由MCU單元，氧含量檢測(cè)單元、大氣壓力測(cè)量單元、無(wú)線通訊單元、顯示單元、手動(dòng)報(bào)警單元組成。

系統(tǒng)核心單元是MCU主控單元，選用STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的微控制器，運(yùn)行內(nèi)嵌監(jiān)控

圖1 嵌入式系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

軟件實(shí)現(xiàn)如下功能：控制內(nèi)置ADC實(shí)施氧含量數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)氧含量檢測(cè)；控制I2C接口獲取大氣壓力測(cè)量單元輸出的串行數(shù)據(jù)，經(jīng)解析換算，得到人員定位信息；通過(guò)USART與無(wú)線通訊單元通信，實(shí)現(xiàn)報(bào)警和檢測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程上傳。

系統(tǒng)監(jiān)控軟件是MCU核心單元的重要組成部分，監(jiān)控軟件架構(gòu)見(jiàn)圖 2。

圖2 嵌入式監(jiān)控軟件架構(gòu)

內(nèi)嵌軟件基于C語(yǔ)言編程。依據(jù)報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求，監(jiān)控軟件由氧含量檢測(cè)模塊、基于大氣壓力測(cè)量的相對(duì)海拔高度檢測(cè)模塊、無(wú)線通訊模塊、報(bào)警模塊以及顯示模塊構(gòu)成。

1.2 氧含量檢測(cè)

氧含量檢測(cè)采用電化學(xué)氧傳感器 O2-M2，該傳感器通過(guò)電解質(zhì)與氧氣的反應(yīng)判定對(duì)氧含量進(jìn)行測(cè)量，靈敏度高，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短。一般氧含量在 20.9%附近波動(dòng)[7]，傳感器輸出在80～120 μA之間，根據(jù)輸出電流確定負(fù)載電阻為100 Ω，放大電路放大倍數(shù)為206，輸出電流經(jīng)過(guò)負(fù)載電阻和放大電路放大后得到氧含量檢測(cè)電路輸出電壓。STM32內(nèi)部集成ADC采集輸出電壓，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后得到12位的數(shù)字電壓，之后通過(guò)A/D采樣的電壓計(jì)算公式，如式(1)所示：

Voltage=(Voltage×3 300)/4 096

(1)

由式(1)計(jì)算得到以mV為單位的模擬電壓輸出，通過(guò)軟件程序提取出其前三位數(shù)字，這三位數(shù)字就是最終需要的氧含量的百分比值的十位、個(gè)位和十分位的數(shù)字，再將其通過(guò)顯示單元顯示。氧含量檢測(cè)電路如圖 3所示。

圖3 氧含量檢測(cè)電路

1.3 基于大氣壓力測(cè)量的海拔高度測(cè)量

大氣壓力測(cè)量單元采用數(shù)字氣壓傳感器 lps22hb。lps22hb是超小體積壓阻式絕對(duì)壓力傳感器，使用I2C或者SPI接口通信，壓力測(cè)量范圍為260～1 260 hPa。能在65 ℃的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)保持 ±0.1 hPa的最高精度。大氣壓力測(cè)量電路如圖 4所示。

圖4 大氣壓力測(cè)量電路

傳感器輸出為數(shù)字量，測(cè)得的氣壓數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 3個(gè)連續(xù)寄存器中，讀取時(shí)連續(xù)讀取 3個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，此時(shí)氣壓值是由3個(gè)寄存器各自8 bit的數(shù)字量組成，然后將3個(gè)數(shù)據(jù)合成一個(gè)24 bit氣壓數(shù)據(jù)，之后解析得到以hPa為單位的氣壓數(shù)據(jù)。解析過(guò)程如下：

tmp=buf[2]<<16 | buf[1] << 8 | buf[0]；

if(tmp & 0x00800000)tmp|=0xFF000000；

pressure=tmp/4096.00;

得到氣壓數(shù)據(jù)后，利用下面公式換算成對(duì)應(yīng)的海拔高度。

式中：p為某高度以hPa為單位的氣壓；p0為15 ℃海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1 013.25 hPa);Altitude是以m為單位的海拔高度[8-9]。

換算出的是根據(jù)測(cè)得氣壓值確定的絕對(duì)海拔高度。將一層的絕對(duì)海拔高度作為測(cè)量基準(zhǔn)，計(jì)算后續(xù)測(cè)量高度與基準(zhǔn)的差值，利用相對(duì)高度值得到人員所處樓層定位信息。

1.4 無(wú)線通訊單元

無(wú)線通訊單元基于無(wú)線LoRa模塊 F8L10D-N模塊實(shí)現(xiàn)。F8L10D-N模塊是一種基于 LoRa擴(kuò)頻技術(shù)的嵌入式無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，工作頻段為433 MHz，可以完成中遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?？梢酝ㄟ^(guò) AT命令對(duì)模塊信息進(jìn)行配置。LoRa模塊與STM32之間通過(guò)USART口相連接。無(wú)線通訊單元電路如圖5所示。

報(bào)警定位等數(shù)據(jù)整合完畢后，STM32按照設(shè)定好的時(shí)間間隔將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給 LoRa模塊，由其發(fā)送上傳。無(wú)線通訊單元發(fā)送的數(shù)據(jù)遵循 LoRa模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的格式，包括幀頭、長(zhǎng)度域、數(shù)據(jù)域和異或和信息等，其中數(shù)據(jù)域內(nèi)包括了設(shè)備編號(hào)、氧含量數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)、采集次數(shù)等信息。

圖5 無(wú)線通訊單元電路

1.5 報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)

報(bào)警包括手動(dòng)按鈕報(bào)警和氧含量超標(biāo)自動(dòng)報(bào)警，當(dāng)施工人員自感不適時(shí)按下報(bào)警按鈕進(jìn)行手動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，當(dāng)氧含量超標(biāo)時(shí)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警[10]。為精簡(jiǎn)編程，手動(dòng)觸發(fā)報(bào)警和氧含量超標(biāo)觸發(fā)報(bào)警，均觸發(fā)報(bào)警中斷，通過(guò)執(zhí)行報(bào)警中斷服務(wù)程序向監(jiān)測(cè)中心工作站發(fā)送報(bào)警信息，工作站收到報(bào)警信息后返回確認(rèn)信息，終端收到確認(rèn)信息后，退出中斷報(bào)警服務(wù)程序。如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)未收到返回的確認(rèn)信息，終端將重新發(fā)送報(bào)警信息。發(fā)送的報(bào)警信息格式如表1所示。報(bào)警信息是16進(jìn)制ASCII碼的形式，以一次報(bào)警發(fā)送的一包信息為例進(jìn)行說(shuō)明，信息如下： FE 1D 44 5F 0A 0D 34 36 47 02 36 35 36 30 3A 00 22 00 0D 0A 57 30 30 31 30 61 6C 61 72 6D 31 58 0A 0D 2B。

表1 報(bào)警信息格式

表1所示報(bào)警信息格式中，LoRa中繼12位識(shí)別碼是每臺(tái) LoRa中繼器所特有的，與受限空間信息對(duì)應(yīng)，通過(guò)它來(lái)確認(rèn)報(bào)警信息來(lái)自于哪處受限空間，加入這一信息能夠有效防止誤報(bào)警等情況。手動(dòng)報(bào)警標(biāo)識(shí)是手動(dòng)報(bào)警信息里面特有標(biāo)識(shí)位，說(shuō)明本條信息來(lái)自于手動(dòng)按鍵報(bào)警。異或和是校驗(yàn)位，確保通信過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生丟失、錯(cuò)誤等問(wèn)題。

2 監(jiān)測(cè)報(bào)警中心的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)報(bào)警中心上位機(jī)軟件是系統(tǒng)重要組成部分，作為系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)，軟件具有以下功能：數(shù)據(jù)采集終端與所在位置對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)置；LoRa中繼與所在位置對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)置；氧含量、溫濕度和定位高度信息的實(shí)時(shí)顯示；數(shù)據(jù)采集終端報(bào)警狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示；對(duì)報(bào)警信息的處理以及回復(fù)。

3 測(cè)試及分析

3.1 氧含量測(cè)試檢定

根據(jù)計(jì)量部門(mén)對(duì)氧含量檢測(cè)儀器的檢定標(biāo)準(zhǔn)，氧含量檢測(cè)檢定方案如下：將待檢定的終端開(kāi)機(jī)，待其穩(wěn)定后，進(jìn)行標(biāo)定，示值誤差，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間檢定試驗(yàn)。

(1)標(biāo)定：通入零點(diǎn)標(biāo)定氣體，記錄此時(shí)示值為0%，通入含氧量為21%的標(biāo)定氣，記錄此時(shí)的示值為21%，標(biāo)定完成。

(2)示值誤差檢定：示值誤差為標(biāo)準(zhǔn)氣濃度與示值之間的差值。將氧含量為5%、10%、15%、18%、21%、25%的標(biāo)準(zhǔn)氣通入待測(cè)儀器，記錄待測(cè)數(shù)據(jù)采集終端在各不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣下的氧含量示值，在每種濃度標(biāo)準(zhǔn)氣環(huán)境下測(cè)試3次，計(jì)算出示值誤差，誤差最大者即為示值誤差，記錄結(jié)果如表 2。

表2 示值誤差檢定記錄表 %

根據(jù)記錄結(jié)果數(shù)據(jù)看出，氧含量檢測(cè)在不同氧氣濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣檢定下的示值誤差最大值為0.3%，滿足氧含量檢測(cè)儀器性能要求中示值誤差低于0.7%的要求。

(3)響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間檢定：通入21%含氧量標(biāo)準(zhǔn)氣，穩(wěn)定后開(kāi)始計(jì)時(shí)，到示值降低到10%標(biāo)準(zhǔn)氣濃度為止。再通入純氮?dú)?，穩(wěn)定后通入21%含氧量標(biāo)準(zhǔn)氣，到示值提高到90%標(biāo)準(zhǔn)氣濃度為止，分別進(jìn)行3次測(cè)試，取3次測(cè)試的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間的算數(shù)平均數(shù)。記錄結(jié)果如表3。

表3 響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間檢定記錄表 s

根據(jù)檢定結(jié)果顯示，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為10.3 s和14.3 s，達(dá)到低于30 s的性能指標(biāo)要求。

3.2 系統(tǒng)報(bào)警測(cè)試

報(bào)警測(cè)試是測(cè)試當(dāng)滿足報(bào)警條件時(shí)，終端是否發(fā)出報(bào)警信息，監(jiān)測(cè)中心是否收到報(bào)警信息，是否誤報(bào)警。手動(dòng)報(bào)警和氧含量超標(biāo)報(bào)警的軟件處理方法相同。測(cè)試在終端和監(jiān)測(cè)中心處于運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行，終端與監(jiān)測(cè)中心相距1 km，氧傳感器感知面通入可調(diào)節(jié)濃度的氧氣源，按照先手動(dòng)報(bào)警，后自動(dòng)報(bào)警的順序測(cè)試。根據(jù)相關(guān)部門(mén)的安全氧含量規(guī)范，受限空間氧含量正常范圍為19.5%～23%，超過(guò)該范圍要求報(bào)警。參考氧含量檢測(cè)儀器檢定流程，采用 5%、10%、15%、20%、25%氧含量氣體測(cè)試。結(jié)果如表4。

表4 報(bào)警測(cè)試記錄表

測(cè)試結(jié)果表明，氧含量超標(biāo)觸發(fā)報(bào)警運(yùn)行正常，但手動(dòng)觸發(fā)報(bào)警測(cè)試當(dāng)中存在重復(fù)報(bào)警現(xiàn)象，重復(fù)報(bào)警現(xiàn)象是指按下一次按鈕，監(jiān)測(cè)中心工作站會(huì)持續(xù)收到報(bào)警信息的現(xiàn)象。重復(fù)報(bào)警現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因在于手動(dòng)觸發(fā)報(bào)警并且監(jiān)測(cè)中心收到報(bào)警信息后應(yīng)當(dāng)向終端返回一條處理信息，而在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)終端沒(méi)有收到處理信息，就會(huì)出現(xiàn)重復(fù)報(bào)警。針對(duì)重復(fù)報(bào)警現(xiàn)象的原因，分別從終端和監(jiān)測(cè)中心軟件采取改進(jìn)措施進(jìn)行處理。終端方面，增加了報(bào)警信息發(fā)送的時(shí)間間隔，以減輕無(wú)線通信鏈路的負(fù)擔(dān)；在發(fā)送的報(bào)警信息當(dāng)中加入報(bào)警次數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生重復(fù)報(bào)警時(shí)，次數(shù)信息會(huì)遞增，如果確實(shí)有人員再次報(bào)警，那么次數(shù)信息會(huì)重新從 1開(kāi)始計(jì)數(shù)。監(jiān)測(cè)中心軟件方面，將發(fā)送返回信息的次數(shù)增加，確保處理信息能夠成功發(fā)送回終端；采取屏蔽措施，收到報(bào)警信息后，一定時(shí)間內(nèi)只顯示一次報(bào)警信息，過(guò)了這個(gè)時(shí)間之后，若還有報(bào)警信息收到，則再次顯示。在進(jìn)行屏蔽的同時(shí)，每次收到報(bào)警信息依然會(huì)返回處理信息，確保收到的都是真實(shí)有效的報(bào)警信息，而不是由于重復(fù)報(bào)警所導(dǎo)致。加入處理措施之后對(duì)系統(tǒng)報(bào)警重新進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試中沒(méi)有再次出現(xiàn)重復(fù)報(bào)警現(xiàn)象，說(shuō)明處理辦法有效避免了重復(fù)報(bào)警的出現(xiàn)。

3.3 人員定位測(cè)試

人員定位測(cè)試是測(cè)試氣壓傳感器確定人員所在的高度，并通過(guò)高度確定人員位于的樓層編號(hào)的準(zhǔn)確性。選取一座受限空間建筑物，對(duì)該建筑物各層的實(shí)際高度首先進(jìn)行人工測(cè)量，并記錄下人工測(cè)量的真實(shí)樓層高度值。之后通過(guò)氣壓與海拔高度轉(zhuǎn)換的方法再次測(cè)量，并將二者測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，環(huán)境因素會(huì)導(dǎo)致氣壓發(fā)生變化，以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為基準(zhǔn)測(cè)量絕對(duì)海拔高度的方法會(huì)出現(xiàn)誤差，所以采用比較相對(duì)海拔高度的方法，測(cè)試中取同一時(shí)間被測(cè)建筑物一層的氣壓值為基準(zhǔn)，通過(guò)測(cè)量相對(duì)高度差得到所在樓層高度信息，測(cè)試數(shù)據(jù)列于表5，給出了同一時(shí)間同一環(huán)境下的一層基準(zhǔn)氣壓，各個(gè)樓層的實(shí)測(cè)氣壓，換算后的海拔高度以及與基準(zhǔn)高度之間的相對(duì)高度差。

表5 定位測(cè)試數(shù)據(jù)

得到相對(duì)高度差后，與直接測(cè)量好的樓層高度真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比，得到樓層高度測(cè)量值與實(shí)際值之間的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖 6。

圖6 樓層高度真實(shí)值與測(cè)量值的關(guān)系曲線

分析曲線可知：樓層高度與實(shí)際氣壓值基本成線性變化關(guān)系，樓層高度人工測(cè)量值與氣壓換算得到的高度值非常近似，誤差平均值為0.05 m，低于傳感器給出的允許測(cè)量誤差范圍，滿足人員樓層定位的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了受限空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。實(shí)現(xiàn)氧含量準(zhǔn)確檢測(cè)及基于氧含量檢測(cè)的報(bào)警功能。基于大氣壓力與海拔高度的關(guān)系，通過(guò)氣壓測(cè)量換算實(shí)現(xiàn)受限空間樓層定位。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定可靠?；谏鲜龀晒?，設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在報(bào)警的同時(shí)能夠定位樓層，為及時(shí)救援提供精準(zhǔn)信息。該系統(tǒng)已應(yīng)用于中石化某公司受限空間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，提升了受限空間施工安全技術(shù)保障水平。