基于LoRa 技術(shù)的礦用無線一氧化碳傳感器設(shè)計(jì)

苗可彬

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

根據(jù)電化學(xué)原理設(shè)計(jì)的一氧化碳傳感器具有響應(yīng)速度快、檢測(cè)精度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤礦、化工、冶金等工業(yè)場(chǎng)所的一氧化碳濃度檢測(cè)?！睹旱V安全規(guī)程》[1]及《AQ1029-2019 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用管理規(guī)范》[2]中明確要求，開采自燃或容易自燃的煤層、自燃發(fā)火觀測(cè)點(diǎn)、封閉火區(qū)防火墻、采區(qū)回風(fēng)巷等地必須安裝一氧化碳傳感器。目前，一氧化碳傳感器多采用三電極電化學(xué)敏感元件，使用前置高阻抗、低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器[3]進(jìn)行信號(hào)放大及濾波處理，電路信噪比不易提高，增益調(diào)整不靈活。同時(shí)，傳感器多采用有線通信方式，存在抗干擾能力低，布線繁瑣的問題[4]。隨著工業(yè)自動(dòng)化、智能化的快速發(fā)展，大型機(jī)電設(shè)備、高頻電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于上述工業(yè)場(chǎng)景，而這些設(shè)備極易產(chǎn)生浪涌、電快速脈沖群、電磁輻射等干擾信號(hào)，通過線纜傳導(dǎo)到傳感器設(shè)備上，影響一氧化碳檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性[5]，對(duì)一氧化碳傳感器硬件電路的抗干擾能力和傳輸方式提出了更高要求。

鑒于此，研究設(shè)計(jì)了一種以LoRa 無線組網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)[6]，采用MSP430F2013 單片機(jī)的低功耗無線一氧化碳傳感器[7]，利用單片集成電路即可完成信號(hào)的放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換及軟件濾波，LoRa 無線組網(wǎng)模塊用于完成無線傳輸，滿足一氧化碳傳感器的低功耗、高精度、高抗干擾能力的監(jiān)測(cè)要求，提升煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)水平，提高系統(tǒng)運(yùn)維的高效性與智能性。

1 傳感器硬件電路設(shè)計(jì)

傳感器信號(hào)處理部分采用模塊化設(shè)計(jì)，主控制器采用TI（德州儀器）公司的MSP430F2013 單片機(jī)[8]，它具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：擁有16 位RISC 指令集架構(gòu)的CPU，具備16 位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，執(zhí)行效率符合設(shè)計(jì)要求；通過數(shù)控振蕩器（DCO）的切換調(diào)整，從低速休眠模式切換到高速正常模式的時(shí)間不超過2 μs；具備同步通信協(xié)議（SPI 或者I2C）及一個(gè)16 位ADC。此款單片機(jī)專為低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘在1 MHz 的條件下時(shí)，系統(tǒng)的工作電流不大于250 μA，而待機(jī)模式的工作電流僅為0.5 μA，其低功耗特性尤其適用于煤礦井下在保持本安特性的條件下需要長續(xù)航能力、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬x器儀表。硬件電路主要模塊由電池充放電控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、信號(hào)處理電路、顯示和報(bào)警電路、喚醒電路、遙控調(diào)校電路以及LoRa 無線組網(wǎng)模塊等部分組成。其硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 傳感器硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

文中的電化學(xué)一氧化碳敏感元件選用英國city 公司的三電極元件4CM[9]，4CM 的典型靈敏度為65 nA/ppm，T90 響應(yīng)時(shí)間不大于30 s，標(biāo)稱最大測(cè)量量程為2 000 ppm。4CM 工作穩(wěn)定性較好，在煤礦井下有多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例。

在典型的三電極電化學(xué)一氧化碳敏感元件應(yīng)用中，當(dāng)一氧化碳擴(kuò)散到元件，通過一層薄膜后在工作電極(S)引起反應(yīng)。恒電位電路檢測(cè)參考電極(R)的電壓，電流輸出給輔助電極(C)，使參考電極端與工作電極端之間的電壓保持恒定。由于參考電極端無電流流進(jìn)或流出，因此流出輔助電極端的電流流進(jìn)工作電極端，該電流與通入的氣體濃度成正比[10]。對(duì)于一氧化碳?xì)怏w，發(fā)生的是氧化反應(yīng)，C 端電流為負(fù)值。該電流通過高輸入阻抗的電流放大電路，直接輸出電壓Vout 供后續(xù)電路采集處理。信號(hào)檢測(cè)電路如圖2 所示。假定待檢測(cè)的一氧化碳濃度為P，4CM 靈敏度為65 nA/ppm，則有Vout=65P*R4，從 而得出濃度值P=Vout/65R4。

圖2 信號(hào)檢測(cè)電路

在圖2 信號(hào)檢測(cè)電路中，由于4CM 敏感元件內(nèi)阻較大，輸出電流為nA 級(jí)別，因此要求偏置電路具有極低的輸入失調(diào)電壓，電流放大電路具有極高的輸入阻抗[11]。文中選擇高阻抗運(yùn)算放大器OPA177G搭建偏置電路和放大電路，其最大失調(diào)電壓不超過25 μV，最大溫漂0.3 μV/℃，采用雙極性晶體管輸入方式，共模輸入阻抗200 GΩ，輸出電壓擺率較高，完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

由于制造工藝的差異，4CM 敏感元件靈敏度存在一致性問題，導(dǎo)致電路放大增益需要根據(jù)敏感元件的輸出特性做調(diào)整。為解決該問題，可使用可編程變阻器AD5271 替代固定增益電阻R4，利用單片機(jī)將AD5271 設(shè)置為適當(dāng)?shù)碾娮柚?，即可使用相同的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)適應(yīng)不同的敏感元件。AD5271 的溫度系數(shù)為5 ppm/°C，溫度影響較小，靜態(tài)電流為1 μA，滿足文中對(duì)傳感器低功耗的設(shè)計(jì)[12]。

1.2 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

對(duì)于檢測(cè)到的電化學(xué)敏感元件小信號(hào)，通常需要采用放大電路將信號(hào)放大至足夠大，利用A/D 轉(zhuǎn)換器處理后，傳輸至主控制器進(jìn)行信號(hào)處理，由于電化學(xué)元件輸出信號(hào)極小，造成信噪比難以提升。如圖3 所示，文中采用MSP430F2013 進(jìn)行小信號(hào)的檢測(cè)、放大及數(shù)據(jù)處理，其具有很高的集成度，單片即可完成信號(hào)的放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換及軟件濾波，同時(shí)利用串行信號(hào)與主控制器通信。從檢測(cè)電路采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過可編程增益放大器進(jìn)行放大，隨后進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部的16 位AD 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖3 信號(hào)處理電路

1.3 LoRa無線組網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)

LoRa 是由Semtech 公司提供的基于1 GHz 以下的超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（LoRa）。核心部分采用基于ARM 系列單片機(jī)和SX1278 芯片設(shè)計(jì)的無線模塊[13],如圖4 所示。圖中的U1 是濾波器，用于濾除規(guī)定頻帶以外的信號(hào)；C7、L1、C5作為阻抗匹配，用于提高負(fù)載能力；L3、L4是壓控振蕩器電感，用于調(diào)整電感值，從而改變系統(tǒng)工作頻率；R2、C13、C14形成鎖相環(huán)電路，用于保持輸入信號(hào)的相位。無線模塊與單片機(jī)采用SPI 總線協(xié)議進(jìn)行通信。

圖4 無線組網(wǎng)電路

1.4 顯示驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

文中采用廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的ZLG7289 作為顯示驅(qū)動(dòng)芯片[14],該芯片具有SPI 串行通信接口，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8 位共陰式數(shù)碼管。圖5 為ZLG7289 驅(qū)動(dòng)的4 位共陰式數(shù)碼管顯示電路，該電路通過SPI 總線與主控制器通信，控制數(shù)碼管的段選與位選，采用四位數(shù)碼管顯示一氧化碳?xì)怏w的濃度數(shù)值。

圖5 傳感器數(shù)碼管顯示電路

1.5 喚醒電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)傳感器低功耗應(yīng)用，文中采用礦燈光照喚醒單片機(jī)設(shè)計(jì)[15]，喚醒電路如圖6 所示。P1.2 為單片機(jī)外部中斷口，D17 為光電二級(jí)管，在井下黑暗條件下，D17 為高阻態(tài)，流過R37的電流小于1 μA，因此三極管Q12 基級(jí)電壓低于0.8 V，處于截止?fàn)顟B(tài)，P1.2端口電壓為高電平，單片機(jī)處于休眠狀態(tài)，數(shù)碼管熄滅；當(dāng)井下礦燈照射后，流過D17 的電流逐漸增大，使Q12 飽和導(dǎo)通，P1.2 由高電平變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，單片機(jī)被喚醒，數(shù)碼管亮起，顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖6 喚醒電路

2 傳感器軟件設(shè)計(jì)

傳感器軟件采用C 語言編程及模塊化程序設(shè)計(jì)方法，由主程序、運(yùn)算處理模塊、片外存儲(chǔ)器讀寫模塊、遙控中斷模塊、標(biāo)校模塊等部分構(gòu)成。標(biāo)定參數(shù)存放在片內(nèi)256 字節(jié)的FLASH 中，遙控中斷模塊用來處理遙控器發(fā)出的標(biāo)定數(shù)據(jù)，并進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定、報(bào)警點(diǎn)設(shè)置、分級(jí)報(bào)警設(shè)置等操作。軟件的主要功能包括一氧化碳傳感器的標(biāo)定、數(shù)字濾波參數(shù)調(diào)整、儀器復(fù)位、濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示及輸出。傳感器軟件流程圖如圖7 所示。

圖7 傳感器程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證一氧化碳傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《AQ6205-2006 煤礦用電化學(xué)式一氧化碳傳感器》的要求，分別對(duì)3 臺(tái)傳感器樣機(jī)進(jìn)行了基本誤差實(shí)驗(yàn)[16]，并通過監(jiān)測(cè)傳感器工作電流驗(yàn)證傳感器的功耗。

3.1 基本誤差實(shí)驗(yàn)

一氧化碳傳感器按照標(biāo)準(zhǔn)要求分別通入20 ppm、350 ppm、500 ppm、750 ppm 氣體，待傳感器穩(wěn)定后，記錄顯示數(shù)據(jù)。取連續(xù)3 次測(cè)值的算術(shù)平均值作為一氧化碳測(cè)定點(diǎn)的測(cè)定結(jié)果。由表1 的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，3 臺(tái)樣機(jī)在20 ppm 時(shí)的最大誤差為1 ppm，在350 ppm 時(shí)的最大誤差為5 ppm，在500 ppm 時(shí)的最大誤差為2 ppm，在750 ppm 時(shí)的最大誤差為11 ppm，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 傳感器基本誤差測(cè)試(單位:ppm)

在溫度為40 ℃，相對(duì)濕度為98%的條件下，一氧化碳傳感器持續(xù)放置12 天。實(shí)驗(yàn)后，在正常工作環(huán)境下放置2 h 后，進(jìn)行絕緣電阻和工頻耐壓實(shí)驗(yàn)，再測(cè)定傳感器的基本性能。該實(shí)驗(yàn)用以驗(yàn)證傳感器在濕度較高環(huán)境下的基本性能。

實(shí)驗(yàn)后測(cè)定傳感器的基本誤差，樣機(jī)一的基本誤差最大值在750 ppm 處，為14 ppm；樣機(jī)二的基本誤差最大值在750 ppm 處，為9 ppm；樣機(jī)三的基本誤差最大值在350 ppm 處，誤差為8 ppm。3 臺(tái)樣機(jī)基本誤差均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 功耗評(píng)估實(shí)驗(yàn)

本項(xiàng)測(cè)試?yán)酶５摽薖7401BDC 電能質(zhì)量分析儀，在工作過程中，通過監(jiān)測(cè)傳感器整機(jī)在睡眠時(shí)段、監(jiān)聽時(shí)段、發(fā)送時(shí)段和喚醒采集顯示時(shí)段的瞬時(shí)工作電流和平均工作電流，評(píng)估整機(jī)在正常工作時(shí)的功耗。

根據(jù)省電模式功耗的4 個(gè)階段，其電流分別為I1、I2、I3、I4，工作時(shí)間為T1、T2、T3、T4。當(dāng)喚醒端不發(fā)送數(shù)據(jù)喚醒時(shí)，綜合靜態(tài)功耗計(jì)算方法為：

（I綜合）=I1*T1+I2*T2+I3*T3+I4*T4

1）休眠時(shí)段電流如圖8 所示，休眠時(shí)段整機(jī)電流穩(wěn)定在1.13 μA。

圖8 休眠時(shí)段電能

2）偵聽時(shí)段功耗如圖9 所示，幀聽時(shí)段分為兩部分：第一段為前導(dǎo)碼廣播時(shí)段，每次5 ms，峰值電流為14.53 mA；第二段為通信握手時(shí)段，每次4 ms，峰值電流為9.75 mA。偵聽時(shí)段電流計(jì)算為：

圖9 偵聽時(shí)段電能

3）發(fā)送時(shí)段功耗如圖10 所示，發(fā)送時(shí)段分為兩部分：第一段為數(shù)據(jù)碼時(shí)段，每次11 ms,峰值電流為15.43 mA；第二段為校驗(yàn)和恢復(fù)休眠命令時(shí)段，每次7 ms，峰值電流為9.74 mA。發(fā)送時(shí)段電流計(jì)算為：

圖10 發(fā)送時(shí)段電能

4）喚醒顯示時(shí)段功耗如圖11 所示，喚醒時(shí)段分為兩部分：第一段為喚醒啟動(dòng)時(shí)段，每次3 ms，峰值電流為15.64 mA；第二段為穩(wěn)定顯示時(shí)段，每次2 ms，峰值電流為9.65 mA。喚醒顯示時(shí)段電流計(jì)算為：

圖11 喚醒顯示時(shí)段電能

根據(jù)各時(shí)段的測(cè)試數(shù)據(jù)，通過計(jì)算工作時(shí)間與休眠時(shí)間占空比對(duì)電流進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，得出傳感器功耗為45.65 mA*ms。

4 結(jié)束語

文中分析了一氧化碳?xì)怏w濃度檢測(cè)的原理及方法，提出了基于單片機(jī)內(nèi)部集成電路的信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)思路，通過單片機(jī)內(nèi)部集成電路完成信號(hào)的放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，提高了傳感器設(shè)計(jì)的集成度及信噪比；結(jié)合LoRa 無線組網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)煤礦井下一氧化碳濃度的在線監(jiān)測(cè)和無線傳輸。在實(shí)驗(yàn)室條件下，進(jìn)行了傳感器基本誤差、功耗評(píng)估兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，充分證明了設(shè)計(jì)的一氧化碳傳感器具有檢測(cè)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、功耗低等特點(diǎn)，提高了煤礦、化工、冶金等工業(yè)場(chǎng)所一氧化碳?xì)怏w監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，有利于煤礦安全生產(chǎn)。