具有自組織組網能力的遠程有害氣體檢測儀的設計與實現

衛睿華

(山西省計量科學研究院，太原府西街29號 030000)

0 引言

有害氣體排放會造成嚴重的空氣污染，會對人體健康產生極大的危害。特別是甲烷、一氧化碳、硫化氫等可燃、易爆有害氣體還是造成煤炭、石油天然氣的勘探開采和化工等生產領域中重大安全事故的來源之一。對這些有害氣體進行監測，既要有源頭式監控，在有害氣體可能產生的工廠、礦山以及化學品存儲地等源頭進行常備式固定式的監控;也要有移動布放式的大范圍監測，在污染源外圍、污染擴散路徑、居民區、人口密集區等地進行一定時間和范圍的監測。因此，需要相關的可機動式部署的有害氣體檢測裝置和監測系統，既可以在平時生產中準確有效的對此類易燃、易爆有害氣體進行及時自動的檢測和控制，同時，在事故發生后可快速部署，對污染范圍進行預測和檢測，是實現安全生產，保障人民健康的一個非常重要的手段。

目前，國內外有害氣體檢測裝置的傳感器技術、檢測技術等方面已經比較成熟。然而，市場上許多同類產品存在著功能單一、使用不便或者操作煩瑣、價格高昂等缺點。本文設計的遠程有害氣體檢測儀不僅能滿足多數工業生產場合的精度要求，而且操作方便、體積重量小，價格低廉，具備自組織組網能力，既可單臺工作，也可以多套聯合工作，可以快速的實現一定范圍內的有害氣體監測和污染范圍預測。

1 檢測原理

1.1 可燃氣體檢測

可燃氣體是石油化工等工業場合遇到最多的危險氣體，它主要是烷烴等有機氣體和某些無機氣體，如一氧化碳等。

可燃氣體發生爆炸必須具備一定的條件，那就是:一定濃度的可燃氣體，一定量的氧氣以及有足夠熱量點燃它們的火源，這就是爆炸三要素，缺一不可。在工作中，以LEL(最低爆炸限度)方式測量這些氣體的檢測儀多采用催化燃燒式檢測儀。它的原理是一個雙路電橋檢測單元。在其中的一個鉑金絲電橋上涂有催化燃燒物質，正常情況下電橋是平衡的，輸出為零。當有可燃氣體泄漏時，可燃氣體會通過傳感器元件的催化劑進行無焰燃燒，產生熱量。鉑金絲電橋的電阻就會由于溫度變化發生改變，由此電橋平衡被打破，產生電壓差信號。被測的可燃氣體的濃度正比于此微小的電壓差信號，從而可以檢測到可燃氣體的濃度［1-2］。

1.2 有毒氣體檢測

有毒氣體既可以存在于生產原料中，如揮發性有機化學物質(VOC)，也可能存在于生產過程的各個環節的副產品中，如氨、一氧化碳、硫化氫等等。它們是對工作人員造成危害最大的危險因素。這種危害不僅包括立即的短期的傷害，如身體不適、發病、死亡等等，而且包括對于人體長期的危害，如致殘、癌變等等。目前，對于特定的有毒氣體的檢測，一般使用其對應的氣體傳感器。其中，檢測無機氣體最為普遍、技術相對成熟、綜合指標最好的方法是定電位電解式方法，也就是我們常說的電化學傳感器。

電化學傳感器的構成是將兩個反應電極在特定的電解液中放置兩個電極(PE和CE)，在兩個電極之間加上足夠的電壓，使透過涂有重金屬催化劑薄膜的待測氣體進行氧化還原反應，形成了電解電流，即傳感器輸出為電流信號。通過測量該電流，可換算成檢測氣體的濃度。

目前，可以檢測到特定氣體的電化學傳感器包括:一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨氣、氯氣、氰氫酸、環氧乙烷、氯化氫等等。

對揮發性有機化合物(VOC)進行檢測，一般采用光離子檢測器(PID)。該檢測器使用具有一定能量的紫外光源作為氣體離子化能量源，當氣體進入檢測器通過紫外光源時被擊碎并離子化，帶電氣體電荷通過電極收集板產生電流，之后氣體“復合”為原來的形式流出儀器，測量產生電流就可相應計算出氣體的濃度［3-4］。

1.3 氧氣檢測

氧氣的濃度也是在工業環境中，尤其是密閉環境中需要十分注意的因素。一般將氧氣含量超過23.5%稱為氧氣過量(富氧)，此時很容易發生爆炸的危險;而氧氣含量低于19.5%為氧氣不足(缺氧，此時很容易發生工人窒息、昏迷以至死亡的危險。正常的氧氣含量應當在20.9%左右。氧氣檢測儀也是電化學傳感器的一種。

2 系統方案設計

遠程有害氣體檢測儀由氣體檢測、終端顯示、參數設置、數據存儲、電源管理、數據傳輸等功能模塊組成。

遠程有害氣體檢測儀可對9種傳感器信息(8種氣體傳感器和1個溫度傳感器)進行檢測，氣體傳感器信息如下:

·O2:0－30.0%

·H2S/CO:0－500 ppm

·SO2:0－150 ppm

·NO2:0－99.9 ppm

·HCN:0－30.0 ppm

·VOC(揮發性氣體):0－1000 ppm

·Combustible(易燃氣體):0－100%LEL

從遠程有害氣體檢測儀的需求出發，考慮到其使用的環境及有可能是室內，也有可能是野外，而且使用時還要考慮到安全性，使用人員會在穿有防護服的情況下操作，因此，有害氣體檢測儀的顯示界面要簡單明了，可以采用按鍵式或觸摸屏來進行操作。終端顯示模塊顯示內容如下:

·本機ID號:每個檢測儀有唯一的ID號

·本機經緯度和時間

·電池狀態:包括電量、充放電狀態

·數據發送指示:數據發送時閃爍

·溫度顯示:當前環境溫度

·各種氣體濃度變化曲線和當前數值

·告警信息

·被監測氣體超限報警，包括氣體種類，超過濃度上限和下限

·電池電量不足告警

參數設置模塊可通過下載預設置值或由功能按鍵調整參數的方式，設置終端的各項參數。

數據存儲模塊可存儲3天內的GPS信息、溫度信息、各種氣體濃度信息數據，數據可以經過USB口、藍牙接口等與U盤、手持式智能終端等交換數據。

電源管理模塊對可充電鋰電池的狀態，包括電量、充放電狀態進行監測。當電池電量低于設定值時，發出低電量報警信號。

數據傳輸模塊包括無線網絡接口、藍牙接口、USB接口，可與中心站、手持式智能終端、U盤等進行數據交換。

遠程有害氣體檢測儀采用鋁合金外殼，具備防水功能。

3 硬件設計

3.1 氣體檢測電路

遠程有害氣體檢測儀可以檢測8種氣體，這8種氣體傳感器中，VOC氣體傳感器采用光電離探測器，傳感器輸出為微弱電流信號;可燃氣體傳感器采用插入式催化珠型，傳感器輸出為微弱電壓信號;其它6種傳感器使用電化學傳感器，傳感器輸出為微弱電流信號。檢測過程圖1所示。

圖1 氣體檢測過程Fig.1 Gas detection process

不同類型的傳感器，其調理電路也不同，對于VOC氣體傳感器和可燃氣體傳感器，可以采用運放構成常見的電流或電壓檢測電路，將微弱的電流或電壓信號放大為標準的0～5V信號［3-5］。對于電化學傳感器，使用過程中需要提供激勵電壓，其調理電路相對復雜，此外每隔一定時間需要對其進行校準，因此采用TI公司推出的新型電化學模擬前端芯片LMP91000，可以大大簡化三電極電化學傳感器調理電路的設計，它是專門為三電極電化學傳感器設計的可編程模擬前端芯片。它具有可編程的增益控制和溫度補償，能夠實現電化學傳感器的自動調零和智能校準，大大提高測量精度。芯片具有的I2C總線，可以很方便實現傳感器的陣列設計，實現多氣體測量［6］。具體電路如圖2所示。

圖2 電化學傳感器調理電路Fig.2 Electrochemical sensor conditioning circuit

3.2 核心處理電路

核心處理電路完成A/D變換、終端顯示、參數設置、數據存儲、電源管理、終端定位、數據傳輸等功能。為了避免污染環境中腐蝕性氣體對設備的損害，采用雙模組設計，分置在不同的艙段內。由低成本、低功耗的MSP430F5438為主構成的氣體采集段電路，負責氣體采集、A/D變換、電源管理功能;由ARM嵌入式終端為主構成密封段電路，負責終端顯示、參數設置、數據存儲和數據傳輸功能［7-8］。核心處理電路構成如圖3所示。

美國德州儀器公司(TI)的MSP430F5438單片機是基于RISC架構的16位超低功耗單片機，內部集成256KB閃存和16KB RAM，在1.8～3.6V的工作電壓范圍內性能高達25MIPS。包含一個用于優化功耗的創新電源管理模塊，其功耗已經達到了微安級。MSP430F5438內部集成有多通道、高速 A/D轉換模塊，能提供多通道12位精度的A/D轉換，其最大采樣速率可以達到200ksps。采用該微控器，配合簡單的外圍電路，可以很好地滿足氣體檢測數據采集的要求。

圖3 核心處理電路構成Fig.3 Core processing circuit

ARM嵌入式終端帶有5.0寸高清晰LCD觸摸屏，分辨率 800×480;3個 RS232/RS485，可連接GPS、Zigbee通信模塊和藍牙通信模塊;1個 USB HOST/DEVICE，可外接U盤，鼠標和鍵盤;此外還支持SD卡和板載NAND FLASH方式存儲數據，內置RTC實時時鐘(可斷電保護)，具有看門狗管理功能，支持WINDOWSCE5.0正版操作系統，工作功耗不大于1.8W。

3.3 無線網絡傳輸模塊

無線網絡傳輸模塊采用CC2530為核心器件，它是德州儀器公司推出的完整的用于2.4GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee 的第二代片上系統解決方案。CC2530在單個芯片上集成了 IEEE802.15.4標準2.4GHz頻段的 RF無線電收發機和一個高性能低功耗的8051微控制器，具有優良的無線接收靈敏度和抗干擾性，特別適用于搭建功能健全價格低廉的網絡節點［9-10］。

Zigbee網絡通常由三種節點構成:Coordinator、Router和 End Device。Coordinator的功能是用來創建一個Zigbee網絡，并為最初加入網絡的節點分配地址，每個Zigbee網絡需要且只需要一個Coordinator;Router也稱為Zigbee全功能節點，可以轉發數據，起到路由的作用，也可以收發數據，當成一個數據節點，還能保持網絡，為后加入的節點分配地址;End Device是終端節點，通常定義為電池供電的低功耗設備，通常只周期性發送數據，不接收數據。

有害氣體檢測儀中的Zigbee模塊的主要功能是無線數據傳輸，即每個節點隨時能夠收發數據，所以節點的配置只有Coordinator，Router，可以通過軟件配置，多個有害氣體檢測儀組成的網絡如下圖所示，這樣的網絡通常也稱為MESH網(即:網狀網)，每個節點可以收發數據，同時也能擔任其它節點的路由器，而且，所有的數據傳輸路由都是自動計算的，無需用戶干預。

圖4 有害氣體檢測儀遠程組網拓撲圖Fig.4 Remote network topology of Harmful Gas Detector

4 試驗測試及結果分析

為了對遠程有害氣體檢測儀的氣體檢測功能進行實驗室測試，參考JJG 695—2003《硫化氫氣體檢測儀檢定規程》及 JJG 693—2004《可燃氣體檢測報警器檢定規程》，由標準標氣瓶－減壓器－流量計組成測試檢定裝置。測試結果，證明該有害氣體檢測儀達到了設計指標。

為了測試遠程有害氣體檢測儀的無線網絡傳輸距離及組網能力，設置無障礙實驗環境，測得點對點的通訊距離可達400 m以上。通過多個遠程有害氣體檢測儀進行組網測試，可以實現自組織組網功能，多跳通信距離可以達到2000 m以上。

5 結論

遠程有害氣體檢測儀可對9種傳感器信息進行采集，可對氧氣、硫化氫、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、氰化氫、可燃氣體以及有機揮發性氣體等8種有害氣體進行檢測。同時，采用Zigbee網絡協議，具備自組織組網能力，該遠程有害氣體檢測儀既可單臺工作，也可以多套聯合工作，采用網狀拓撲結構擴大氣體檢測儀的應用和覆蓋范圍。此外，該設備還具有操作方便、體積小重量輕，功耗低，值守時間長的特點。可以快速的實現一定范圍內的有害氣體監測和污染范圍預測。

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