自適應(yīng)多組分氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計

趙鑫，林夢潔，楊安東，高子飛，梅茹雪，李會軍

（中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

氣體檢測是生產(chǎn)作業(yè)、火場救災(zāi)等眾多領(lǐng)域至關(guān)重要的一環(huán)[1-3]。然而，傳統(tǒng)的氣體檢測方案大多基于一種[4-7]或少數(shù)幾種[8-10]固定種類氣體的檢測，使得檢測應(yīng)用場景較為單一；同時，部分氣體檢測裝置采用固定式安裝檢測方式，導(dǎo)致其檢測范圍受限、機動性差。此外，針對火場、管廊等人員不方便進入的場景，如何實施快速有效的氣體檢測，也是亟須解決的問題。

基于上述氣體檢測方案存在的不足，文中提出了一種便攜式的自適應(yīng)多組分氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)可同時檢測多種氣體，根據(jù)應(yīng)用場景的需要，可隨時更換不同的氣體傳感器；采用自供電式便攜設(shè)計，可搭載無人機等開展遠程檢測作業(yè)，以解決場景受限問題，具有良好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架

多組分氣體檢測系統(tǒng)可分為下位機氣體檢測部分和上位機數(shù)據(jù)顯示部分，以云端作為連接，如圖1所示。下位機通過氣體檢測模塊和定位模塊實時獲取各種氣體的濃度和對應(yīng)的地理位置；采集到的數(shù)據(jù)由主控模塊處理后同步保存至存儲電路中；同時，通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)從下位機端實時傳輸至上位機端，實現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸與顯示。上位機支持多形式數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 創(chuàng)新之處

相比傳統(tǒng)氣體檢測解決方案，文中提出的氣體檢測方案做出了以下改進與創(chuàng)新：

1）采用RS485 總線通信，可同時檢測6 種氣體；根據(jù)實際需要，可以方便地擴展至32 路氣體檢測。

2）提出一種自適應(yīng)氣體檢測算法，可自動識別所安裝的傳感器并進行氣體檢測。

3）采用下位機到上位機端到端設(shè)計，進一步減小時延，提高系統(tǒng)實時性。

4）獨立供電和便攜式設(shè)計，使其可搭載無人機在火場等人員不便進入的場景開展氣體檢測作業(yè)。

2 硬件電路設(shè)計

硬件電路部分可分為主控電路、氣體檢測電路、定位電路、數(shù)據(jù)存儲電路、無線通信電路和電源管理電路6 部分。主控電路采用基于ARM Cortex-M4 架構(gòu)的STM32F407 芯片作為控制核心。定位電路和無線通信電路基于安信可A9 模組，該模組兼具GPS 定位和GPRS 通信功能，通過串口和主控系統(tǒng)通信。

2.1 氣體檢測電路

2.1.1 傳感器選型

目前市面上較為主流的氣體檢測方案有霍尼韋爾、阿爾法、費加羅等公司所生產(chǎn)的傳感檢測裝置；國內(nèi)有煒盛科技、精訊暢通、深國安等。但大多數(shù)廠家所生產(chǎn)的傳感器還需二次開發(fā)才能使用，增加了設(shè)計開發(fā)周期；同時，同一廠家不同種類的傳感器外形不一致，很難做到靈活地拔插替換，通用性較低。綜合考量，文中最終選擇精訊暢通JXM 系列傳感器，該系列傳感器提供模擬和數(shù)字雙輸出；此外，同一系列不同種類氣體傳感器外形一致，通用性高；并支持多達20 種可檢測氣體。

2.1.2 電路設(shè)計

氣體檢測電路采用單板獨立設(shè)計，位于頂層電路板上，詳見下位機檢測裝置。數(shù)據(jù)通信基于RS485 雙總線通信方案，最多可同時掛接32 個傳感器，中采用6 路檢測方案。其中，SP3485 實現(xiàn)TTL 和485 電平轉(zhuǎn)換；兩個120 Ω電阻為終端匹配電阻，一前一后分別置于傳感器陣列首和尾，以確保數(shù)據(jù)的準確性；兩個360 Ω電阻為偏置電阻，以保證總線空閑時仍有穩(wěn)定的壓差，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸亂碼，具體電路如圖2 所示。

圖2 氣體檢測電路圖

2.2 數(shù)據(jù)存儲電路

存儲電路采用板載FLASH 和可拔插SD 卡設(shè)計，如圖3 所示。FLASH 存儲芯片采用16 M 字節(jié)大小的W25Q128，基于SPI 全雙工通信，可供操作系統(tǒng)FreeRTOS 和文件管理系統(tǒng)Fatfs 使用。SD 卡存儲電路采用4 位并行SDIO 通信，以實現(xiàn)氣體數(shù)據(jù)的實時存儲，47 kΩ上拉電阻用于避免SD 卡未插入或SD 卡驅(qū)動處于高阻狀態(tài)時的總線浮動。

圖3 數(shù)據(jù)存儲電路圖

2.3 電源管理電路

電源管理采用外接電源供電和內(nèi)部鋰電池供電兩種供電方式，具體電路如圖4 所示。

圖4 電源管理電路圖

外部電源通過USB 接口提供5 V 直流電壓供電池充電管理芯片TC4056A，最后從BAT 管腳輸出3.7 V 直流電壓，作為系統(tǒng)源電壓。

以源電壓為基礎(chǔ)獲取5 V和3.3 V電源電壓。5 V電壓獲取采用PS7516 升壓芯片，其中，VIN 最小輸入電壓為2.5 V，文中輸入電壓為3.7 V，滿足升壓要求，經(jīng)轉(zhuǎn)換從OUT 輸出5 V 電壓。沒有直接從USB 接口獲取5 V 電壓給相應(yīng)電路供電，是為了實現(xiàn)對外接USB 供電和內(nèi)部鋰電池供電的統(tǒng)一管理。3.3 V 電壓通過ASM1117 線性穩(wěn)壓芯片獲取。

為了應(yīng)對電源電路中的過充等情況，加入了相應(yīng)的的保護電路。其中，SI2301 場效應(yīng)管用來保護電池反接情況；DW01K 和8205 用來防止過充、過放和短路情況的出現(xiàn)。

3 軟件算法設(shè)計

下位機軟件架構(gòu)基于FreeRTOS[11]操作系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)實時性，如圖5 所示。系統(tǒng)上電初始化后，分3 個任務(wù)并行執(zhí)行，氣體問詢?nèi)蝿?wù)用于獲取有效氣體數(shù)據(jù)；GPS 問詢?nèi)蝿?wù)實時查詢氣體源所在物理位置；數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)將氣體濃度和物理位置數(shù)據(jù)打包后發(fā)送至云端，供上位機抓取。此外，氣體數(shù)據(jù)和GPS 數(shù)據(jù)由Fatfs[12]文件管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理。

圖5 下位機軟件框圖

3.1 自適應(yīng)氣體檢測算法

多組分氣體檢測采用主動問詢方式，即主控器向總線發(fā)出一次問詢指令，匹配的傳感器會發(fā)出一幀有效數(shù)據(jù)作為應(yīng)答。但不同場景下使用的傳感器種類不同，為實現(xiàn)快速且正確的數(shù)據(jù)采集，文中提出了一種自適應(yīng)氣體檢測算法，基本流程如圖6 所示。

圖6 自適應(yīng)氣體檢測算法流程圖

檢測過程分為有效傳感器問詢和有效氣體數(shù)據(jù)問詢兩部分。首先確定氣體檢測裝置上的有效傳感器數(shù)量及種類。根據(jù)各傳感器地址的不同，通過RS485 總線依次發(fā)出主動問詢指令，若有應(yīng)答，對應(yīng)答幀進行解析，提取出有效地址，在緩存中查找與之匹配的傳感器種類，并作出有效標記；反則，若無應(yīng)答，則該種類傳感器不存在，標記無效。輪詢結(jié)束后，確定最終有效的傳感器及種類。然后對有效傳感器進行氣體數(shù)據(jù)問詢，獲取氣體數(shù)據(jù)。根據(jù)已標記的有效傳感器，依次發(fā)出氣體數(shù)據(jù)問詢指令，由于應(yīng)答數(shù)據(jù)一幀長度為10 字節(jié)，設(shè)定一個長度為10的計數(shù)器，以進行有效幀數(shù)據(jù)的判斷。接收到應(yīng)答幀后，截取有效數(shù)據(jù)，即第5 字節(jié)(MSB)和第6 字節(jié)(LSB)，根據(jù)式（1）進行轉(zhuǎn)換，得到最終的有效氣體數(shù)據(jù)。

該算法基于自適應(yīng)的思想，可以自動識別有效傳感器，對有效傳感器進行數(shù)據(jù)問詢，帶來了較大的靈活性。

3.2 氣體數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

為便于后期對采集到的氣體數(shù)據(jù)和GPS 數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)進行實時保存管理。文中基于Fatfs文件管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理，分為驅(qū)動移植和自定義數(shù)據(jù)管理兩部分。驅(qū)動移植是將FLASH 和SD 卡底層讀寫驅(qū)動移植到Fatfs 中，供頂層API 調(diào)用；同時，根據(jù)實際需要，對文件系統(tǒng)進行裁剪，以提高系統(tǒng)運行的實時性。

自定義數(shù)據(jù)管理即根據(jù)需要存儲所需的數(shù)據(jù)。其中，一個重要的環(huán)節(jié)是如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)分門別類的實時存儲。具體做法是創(chuàng)建一個配置文件，用于記錄有效的傳感器種類；在每次系統(tǒng)上電時，讀取配置文件，為每種有效氣體創(chuàng)建一個新的存儲文件。對于每種氣體進行一次有效數(shù)據(jù)存儲操作可分為以下幾步：1）對數(shù)據(jù)幀進行封裝，包括加時間戳，結(jié)束符等；2）根據(jù)氣體種類打開相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲文件；3）指針偏移；4）寫入數(shù)據(jù)；5）地址偏移；6）更新并關(guān)閉文件。

3.3 端到端數(shù)據(jù)實時傳輸方案

綜合藍牙、WIFI、移動網(wǎng)絡(luò)等無線通信方式的特點和實際需求[13-15]，文中下位機和上位機數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS 通信[16]，將數(shù)據(jù)發(fā)送至機智云云端，供上位機抓取。具體操作在數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)中實現(xiàn)，首先將氣體數(shù)據(jù)和GPS 數(shù)據(jù)打包，再進行格式轉(zhuǎn)換，變成機智云平臺能夠識別的16 進制格式數(shù)據(jù)，最后通過A9無線通信模組傳輸至云端；上位機從云端抓取數(shù)據(jù)包，進行解析。

文中下位機將所有硬件進行一體化設(shè)計，與上位機通信無需中轉(zhuǎn)硬件平臺，通過這種端到端的設(shè)計可以在便攜化系統(tǒng)的同時，降低數(shù)據(jù)傳輸時延，提高響應(yīng)速度。

3.4 上位機設(shè)計

基于Qt 跨平臺的特性，即在一種平臺編寫的上位機可以基本不做修改就可以在其他平臺運行，文中上位機采用Qt 進行設(shè)計，包括從云端獲取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理與顯示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能，主界面如圖7所示。

圖7 上位機主界面圖

數(shù)據(jù)的獲取依靠機智云平臺提供的Open API，利用APP ID 和APP Secret 以及設(shè)備的DID 編號請求機智云相關(guān)網(wǎng)頁，連接服務(wù)器后解析json 獲取數(shù)據(jù)點的數(shù)值，以餅狀圖和折線圖形式進行實時顯示。數(shù)據(jù)源位置的顯示整體使用html 網(wǎng)頁調(diào)用百度地圖API 實現(xiàn)，其中，QWebEngineView 控件實現(xiàn)網(wǎng)頁的加載與顯示，QWebChannel控件負責(zé)與html中js腳本通信，向其傳遞GPS 參數(shù)并往地圖中添加位置標記。數(shù)據(jù)的導(dǎo)出基于QTabWidget 控件實現(xiàn)excel 格式數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。

4 系統(tǒng)測試

下位機實物圖如圖8 所示，采用3 塊PCB 疊層設(shè)計，便于散熱的同時縮小檢測裝置的體積；其中，頂層為氣體采集板、中間層為主控板、底層為電源板。

圖8 下位機實物圖

為驗證系統(tǒng)功能的可行性，對系統(tǒng)各項功能進行測試。以氧氣和甲烷兩種氣體為例進行測試，氧氣和甲烷分別采用濃度為20%和10%的潔凈氣體作為測試使用氣體。將下位機通過串口與PC 端相連，通過串口助手實時查看采集到的數(shù)據(jù)；將標準值與采集到的數(shù)據(jù)、SD 卡導(dǎo)出數(shù)據(jù)和上位機導(dǎo)出數(shù)據(jù)進行比對，得到的結(jié)果如表1 和表2 所示。從數(shù)據(jù)可知，下位機采集數(shù)據(jù)、SD 卡存儲數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機以秒作為單位時，時間完全同步，可見系統(tǒng)實時性滿足要求。同時，采集到的數(shù)據(jù)與標準值的誤差在1%以內(nèi)，滿足實際生產(chǎn)作業(yè)要求。

表1 氧氣測試結(jié)果(標準值20%)

表2 甲烷測試結(jié)果(標準值10%)

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)氣體檢測方案存在的問題，文中提出了一種自適應(yīng)多組分氣體檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可支持多種類氣體檢測，提出的自適應(yīng)檢測算法可以實現(xiàn)傳感器的即時拔插替換，以適應(yīng)不同檢測場景的需求。裝置便攜式和獨立供電式的設(shè)計使其可以搭載無人機在火場等人員不便進入的場景開展作業(yè)。端到端的設(shè)計可以進一步提高系統(tǒng)實時性。通過實際測試表明，該系統(tǒng)具有一定的實用價值。