一氧化碳濃度測監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

張少華， 肖金球， 李長才

(1.蘇州科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009； 2.蘇州市智能測控工程技術(shù)研究中心，江蘇 蘇州215009)

一氧化碳濃度測監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

張少華1,2， 肖金球1,2， 李長才1,2

(1.蘇州科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009； 2.蘇州市智能測控工程技術(shù)研究中心，江蘇 蘇州215009)

為了提高空氣質(zhì)量監(jiān)測水平，實時監(jiān)測空氣中的一氧化碳濃度，設(shè)計了以ARM處理器S3C2410為硬件核心的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對一氧化碳濃度的智能采集與處理，并通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測中心。測試結(jié)果表明，本監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，運行穩(wěn)定，能實現(xiàn)對空氣中一氧化碳濃度的實時監(jiān)測，具有較高的實用性，可用于日常性和突發(fā)性的空氣污染監(jiān)測。

ARM ；一氧化碳；實時監(jiān)測；GPRS

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，汽車數(shù)量呈現(xiàn)井噴式增長，伴隨著汽車數(shù)量飛速增長的同時，汽車排放出的大量尾氣成為環(huán)保面臨的一大問題。汽車尾氣中含有多種有害物質(zhì)，其中一氧化碳(carbon monoxide, CO)是一種無嗅、無味的氣體，一旦被吸入人體后迅速與血紅蛋白結(jié)合生成碳氧血紅蛋白，使血液向身體各組織器官輸送氧的能力減弱，造成缺氧，對血液循環(huán)系統(tǒng)造成損害，甚至危害生命。在冶金廠、發(fā)電廠、化工廠等工業(yè)場所，甚至是普通居民家中都會發(fā)生CO濃度超標(biāo)的情況，因此有必要設(shè)計一個能對空氣中的CO進行實時監(jiān)測[1-2]，采集各地區(qū)空氣中CO的濃度并將所采集的數(shù)據(jù)進行傳輸匯總的系統(tǒng)，及時了解不同地區(qū)空氣中CO濃度的情況，超標(biāo)時進行報警提醒[3]，以便環(huán)保部門及時進行污染處理。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本監(jiān)測系統(tǒng)由氣體檢測模塊、核心處理模塊以及報警和通信模塊組成。系統(tǒng)使用化學(xué)傳感器中的CO傳感器對空氣中CO濃度進行測量獲取，采集到的電流信號傳送至調(diào)理電路，調(diào)理電路對傳感器進行自動調(diào)零和智能校準(zhǔn)，提高測量精度。通過A/D轉(zhuǎn)換模塊后將采集的數(shù)據(jù)送至ARM處理器S3C2410進行處理分析，最后將處理結(jié)果通過GPRS模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測中心[4]，對信息進行處理，若濃度超過設(shè)定的閾值便及時發(fā)出警報。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 氣體檢測模塊

在常見的氣體監(jiān)測系統(tǒng)中，氣體檢測通常使用對應(yīng)的氣體傳感器[5]，其中定電位電解式方法是對于檢測無機氣體時使用最多、技術(shù)最完善、檢測性能最好的方法，通常稱為電化學(xué)傳感器，本系統(tǒng)采用電化學(xué)CO傳感器。檢測過程如圖1所示。

圖1 氣體檢測過程

2.1.1 CO傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理

本系統(tǒng)采用的是泵吸式CO傳感器，傳感器使用Pt作為催化觸媒電極，以Nafion為固體電解質(zhì)[6]，當(dāng)CO通過外殼上的氣孔經(jīng)透氣膜擴散到工作電極表面時，在催化劑作用下，CO發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

陽極：CO+H2O→CO2+2H++2e-

陰極：O2+4H++4e-→2H2O

其總的化學(xué)方程式為：

2CO+O2→2CO2

兩個電極之間一直發(fā)生著上述氧化還原反應(yīng)，電極間形成電位差。通過測量產(chǎn)生的電流便能計算出CO濃度。

選取的傳感器應(yīng)具有良好的分辨率、檢測精度等檢測參數(shù)，傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 傳感器主要技術(shù)參數(shù)

2.1.2 調(diào)理電路

為保證系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使用電化學(xué)傳感器時，需每隔一段時間對其進行校準(zhǔn)調(diào)零，否則由于傳感器結(jié)構(gòu)的特點，其輸出的電流信號必會受到制作工藝和環(huán)境溫度等因素的影響，產(chǎn)生失真，影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。因此系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的新型可編程電化學(xué)模擬前端芯片LMP91000[7]，能夠簡化傳統(tǒng)的電化學(xué)調(diào)理電路，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，內(nèi)部含有恒電位放大器和溫度傳感器。

圖2 LMP91000結(jié)構(gòu)框圖

LMP91000芯片通過可編程的增益控制和溫度補償，能夠完成傳感器的自動調(diào)零和智能校準(zhǔn)，能很大程度上提高測量結(jié)果的精度。調(diào)理電路具體如圖3所示。

圖3 電化學(xué)傳感器調(diào)理電路

2.2 核心處理模塊

本系統(tǒng)的核心處理模塊完成對從調(diào)理電路傳來的電信號進行的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、終端顯示、數(shù)據(jù)存儲等任務(wù)，并將處理所得的數(shù)據(jù)傳輸給通信模塊進行傳輸。核心處理模塊的系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 核心處理電路的系統(tǒng)框圖

2.2.1 A/D轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器采用TI公司生產(chǎn)的TLC2543。S3C2410和TLC2543工作電壓分別為3.3 V和5 V，工作電壓并不一樣，因此需要在S3C2410與TLC2543之間接電壓轉(zhuǎn)換芯片[8]74LVC4245。74LVC4245是一種雙電源供電的雙向收發(fā)器，能同時為5 V和3.3 V兩個不同的系統(tǒng)之間提供雙向接口，以實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換電路的供電。

2.2.2 供電電路

電源作為驅(qū)動整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對系統(tǒng)的安全性、可靠性、正常運行起關(guān)鍵作用，需要電池容量大且工作穩(wěn)定、可靠，才能滿足系統(tǒng)的供電。本系統(tǒng)要將氣體檢測模塊放置在不同的監(jiān)測地點，監(jiān)測地點大都是在戶外，因此系統(tǒng)選用可充電的膠體太陽能蓄電池。膠體太陽能蓄電池有比較好的深循環(huán)能力，有著很好的過充和過放能力，并且電池壽命長，能適應(yīng)不同的環(huán)境要求，適合作為本系統(tǒng)的供電。

2.3 報警與通信模塊

本模塊負(fù)責(zé)將ARM處理器處理過的數(shù)據(jù)進行傳輸，測得氣體濃度超過設(shè)定的閾值就發(fā)出警報，以便工作人員發(fā)現(xiàn)并及時處理,方便環(huán)保部門對空氣污染的治理。

無線通信模塊采用的是GPRS模塊，負(fù)責(zé)將采集并處理好的信息發(fā)送到監(jiān)測中心，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收均通過GPRS模塊完成。系統(tǒng)采用西門子公司生產(chǎn)的MC55i模塊實現(xiàn)無線通信，通過RS232連接S3C2410處理器，收發(fā)數(shù)據(jù)，無需編程，抗干擾能力強。

3 軟件設(shè)計

軟件需要實現(xiàn)對傳感器的數(shù)據(jù)采集、ARM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和無線通信的數(shù)據(jù)傳輸。軟件設(shè)計主要分為濃度采集與處理模塊和無線通信模塊。

3.1 濃度采集與處理模塊

圖5 濃度的采集與處理流程圖

由嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用程序構(gòu)成的軟件部分是整個CO濃度監(jiān)測的控制核心。軟件包括監(jiān)測程序、中斷處理程序以及實現(xiàn)各種算法的功能模塊。PC安裝操作系統(tǒng)Redhat Linux 9.0作為主機開發(fā)環(huán)境，使用arm-linux-gcc-3.4.1進行編譯，通過Minicom進行程序調(diào)試[9]。軟件設(shè)計流程如圖5所示。

3.2 無線通信模塊

無線通信模塊負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)到監(jiān)測中心，當(dāng)系統(tǒng)啟動后，先對模塊各部件進行初始化，啟動定時器，將GPRS模塊接入移動公司的網(wǎng)絡(luò)，連接監(jiān)測中心的服務(wù)器。系統(tǒng)可設(shè)定采集和傳輸?shù)臅r間間隔，將采集的數(shù)據(jù)進行處理并保存，當(dāng)達到設(shè)定的時間就向監(jiān)測中心發(fā)送，主要流程如圖6所示。

圖6 GPRS傳輸流程圖

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果

為了對本系統(tǒng)的測量結(jié)果進行測試，選擇在蘇州市高新區(qū)濱河路附近某小區(qū)對系統(tǒng)進行反復(fù)測試，選取5次測量結(jié)果如表2所示。

表2 測試結(jié)果

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，由于傳感器靈敏度只有0.1 ppm，也就是說能測到的最小量程為0.125 mg·m-3，對于測量一般空氣中的CO濃度的精確度還是有限的。再次選取濱河路和獅山路交界處的十字路口進行測試，結(jié)果如表3所示。

表3 測試結(jié)果

結(jié)果顯示在汽車啟動時會排放出大量的CO，使空氣中的CO濃度升高，并且在設(shè)定閾值為20 mg·m-3時，第二次和第五次測試時系統(tǒng)都及時發(fā)出了警報，說明系統(tǒng)設(shè)計符合要求。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以ARM處理器S3C2410為控制核心，結(jié)合嵌入式Linux操作系統(tǒng)構(gòu)建嵌入式監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對空氣中CO濃度數(shù)據(jù)的采集、存儲與傳輸。系統(tǒng)可對空氣中CO濃度進行實時動態(tài)監(jiān)測，且體積小、功耗低、成本少，采用太陽能電池供電具有低功耗、綠色環(huán)保的優(yōu)點。系統(tǒng)監(jiān)測穩(wěn)定、實時測量準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，不但能對城市環(huán)境中的CO進行監(jiān)測，還可用在發(fā)電廠、冶金廠和化工廠等CO排放多的場所，甚至是普通居民家中也可用它來防止CO中毒，具有很好的市場應(yīng)用前景和較高的環(huán)保推廣價值。

[1] 徐珍,周鳳星,陳虎.基于ARM處理器的CO氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2011,37(9):24-25.

[2] 陳聰偉,肖金球,劉士游，等.基于ARM的水體溶解氧監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用,2014,33(24):35-37,41.

[3] 杜云明,蓋麗娜,王全，等.基于ATmega16L的瓦斯監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用,2013,32(2):87-89,92.

[4] 李建坡,鐘鑫鑫.基于GPRS的空氣質(zhì)量綜合監(jiān)測系統(tǒng)[J].東北電力大學(xué)學(xué)報,2014,34(5):69-73.

[5] 孫宇峰,黃行九,劉偉,等.電化學(xué)CO氣體傳感器及其敏感特性[J].傳感器技術(shù),2004,23(7):14-17.

[6] 劉俊東.電化學(xué)一氧化碳傳感器電解質(zhì)研究進展[J]. 化學(xué)工程師,2006(7):34-36.

[7] 許劍鋒,蘆靜,郝歡,等.基于LMP9100的電化學(xué)傳感器調(diào)理電路設(shè)計[J].傳感器世界,2014,20(2):23-25.

[8] 胡愛軍,張睿卿,王聰.基于ARM9&Linux的AD轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)[J].機械設(shè)計與制造,2011(6):97-98.

[9] 荀艷麗.Linux內(nèi)核在S3C2410上移植的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(12):13-15.

Design of carbon monoxide concentrationmeasuring system

Zhang Shaohua1,2， Xiao Jinqiu1,2， Li Changcai1,2

(1.School of Electronic & Information Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China;2.Suzhou Intelligence Control Engineering Technology Center, Suzhou 215009,China)

In order to improve the level of air quality monitoring and monitor the concentration of carbon monoxide in the air in real time, this paper designed a measuring system using the ARM processor S3C2410 as the hardware core, achieving the goal of intelligent acquisition and transmission of carbon monoxide concentration. Through the GPRS module it transmit data to the remote monitoring center. Test results shows that the measuring system’s data is accurate, operation is stable. It can realize the monitoring of carbon monoxide concentration in the air, has high practicability, and can also be used for daily and sudden air pollution monitoring.

ARM; carbon monoxide; real-time monitoring; GPRS

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項目(2014-k8-050)；江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技項目(2013JH11,2014JH12)；蘇州科技學(xué)院科研基金項目(XKZ201412)

TP368.1

A

1674-7720(2016)02-0020-03

張少華， 肖金球， 李長才. 一氧化碳濃度測監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J] .微型機與應(yīng)用，2016,35(2)：20-22.

2015-09-29)

張少華(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：智能測控技術(shù)。E-mail：496077834@qq.com。

肖金球(1963-)，男，碩士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：智能測控技術(shù)。