基于改進433M無線通信技術的多元化氣體遠程監測及凈化系統

尹元躍 鄧帥 方亮 楊業 張靈元

摘要：為了準確有效的對實驗室排放的多元氣體進行連續自動檢測，運用計算機進行多點遠程監測，本設計實現了一種基于改進433M無線通信技術的遠程氣體環境參數監測及凈化系統。它由傳感器模塊、89C51為核心的信號處理模塊、風機控制模塊、凈化模塊以及433M模塊組成。分析及試驗結果表明：該系統可以穩定的實現定時或實時傳輸數據，該系統成本較低，可以廣泛應用于化工，食品行業和毒氣檢測等領域。

關鍵詞：多元氣體;遠程監測;改進433M;凈化系統

中圖分類號：TP39;TN92

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）08-0099-06

Diversified Gas Remote Monitoring and Purification SystemBased on Improved 433M Wireless Communication Technology

YIN Yuan-yue，DENG Shuai.FANG Liang，YANG Ye.ZHANG Ling-yuan

（State Grid Anhui Electric Power Co..Ltd.Wuhu Power Supply Company，Wuhu Anhui 24100.China）

Abstract ： In order to accurately and effectively carry out continuous and automatic detection of multi-emission gasemitted in the laboratory，and use computers to perform multi-point remote monitoring，this design implements a re-mote gas environmental parameter monitoring and purification system based on improwed 433M wireless communi-cation technology.lt consists of sensor module，a signal processing module with 89C51 as the core.fan control mod-ule，purification module and 433M module.The results show that the system can transmit data in a timed or real-time manner.The cost of the system is low.and it can be applied in chemical industry，food industrv and toxic gas de-tection.

Key words ： multi-element gas;remote monitoring;improved 433M;purification svstem

0引言

隨著社會的進步和人類對環保意識的不斷增強，國家對環境監測領域的關注越來越多，構建的覆蓋范圍廣、實時要求高、檢測數據準確的環境監測系統成為了必然需求。

實驗室在安全與環境保護方面存在多種隱患，例如電氣設備實驗室中，設備用電功率過大，電路老化、設備過載、接地不良和靜電影響等的用電安全隱患;化學類實驗室中，易燃易爆的化學危險品過多，取用化學藥品、保存不合理以及有毒化學氣體的泄漏造成的化學藥品安全隱患;生物類實驗室中，病毒、菌種、標本以及其他生物危險因素的感染、泄漏造成的生物安全隱患;廢棄物實驗室中，廢液、廢氣和廢棄固體物泄漏造成環境污染等[1-3]。對上述實驗室環境的監測，既可以確保高電壓、電離輻射、化學危險品、毒品、有害生物以及水、氣、火、電等危險來源有效控制以及環境的有效改善，而且可為實驗人員提供長期可靠的生態環境數據，用于分析危險源的預防[4-5]。

傳統環境監測點通常地理位置分散且沒有電源供給，所以系統監測得執行效率低、人力成本高，再加上國內環境監測系統參差不齊，檢測方式、原理、性能和精度存在差異，影響了檢測數據的準確性，且設備的老化和環境因素會降低檢測精準度和靈敏度，因此需要實驗人員定期對設備進行維護[6-9]。此外，傳統環境監測系統功能簡單、檢測數據單一、體積龐大等諸多問題，其配備的通信網絡在覆蓋范圍、傳輸實時性以及成本很難滿足遠程監測的需求[10-11]。

本文基于GPRS改進的433M無線傳輸技術，結合高性能氣體傳感器，設計并實現了具有多樣化氣體、溫濕度數據檢測，氣體的凈化的實時監測系統，該系統可以將運行狀態和檢測數據實時上傳，并通過大數據來分析該設備的運行狀態，此外，該設備還兼有傳感器壽命的預估系統，針對當系統問題提醒用戶進行維護，從而確保獲取數據準確性。

1多樣化氣體遠程監測及凈化系統總體設計

多功能環境遠程監測凈化系統包括一個主機、多個從機監測采集系統、風機控制系統以及凈化系統這4部分組成，上述部分通過433無線通訊實現對現場設備實時監視，其總體結構框圖如圖1所示。

考慮到監測點氣體和溫度的多元化、流動性特點，從機采集監測系統采用模塊化組態設計，即可通過快速拆模塊解決移動和連續監控出現器件老化損壞的問題。監測過程中，可根據實驗室功能和不同需求，進行各種模塊的組合;考慮到監測參數需要監測主機在軟件中顯示并報警，監測設備具有開放性的硬件接口，比如串口、網絡口，根據不同的監測要求進行各類傳感器連接配置，如圖2所示。

數據采集現場采用模塊化設計，該系統需N個現場數據采集模塊，且每個模塊可采集16點，共計Nx16路氣體、溫度傳感器采集5-30mA模擬信號，其各模塊間采用串口通信。

由于現場工作環境具有危險性且距離監測主機較遠，為實現現場與工作站間的數據能穩定、可靠傳輸，兩者之間采用基于GJPRS改進后的433M無線傳輸技術。作為人機交互作用，在實驗室內運行上位機監測主機。工作人員可通過上位機監測主機軟件對系統的通信參數、傳感器參數、通道進行設置;監測主機獲取、處理實驗室現場數據并完成數據畫圖、制表和數據分析。

1.1主機系統

主機系統的機殼采用壁掛式結構，系統功能模塊分解如圖3、圖4所示。其主要用于現場工作人員的操作及查看。內置操作顯示屏，使用改進后的433M無線通信可對從機、風控裝置、凈化裝置進行參數設置以及各個裝置的狀態數據采集顯示;內置人體紅外感應裝置，在設備無人操作狀態使設備處于屏保狀態，起到節能省電作用，感應人體時設備屏幕白動啟動;內置語音系統，從機采集到環境氣體超標時，語音播報告警以及當工作人員進入現場時播報當前工作環境狀態。

1.2從機系統

從機系統的機殼采用鋁合金材質，該裝置主要用于現場環境氣體的采集檢測。內置多組份氣體檢測智能傳感器，采用紅外光譜原理技術，精度高、功耗低、重復性穩定等優點;內置氣體采樣裝置，采用自吸式采集方式，把環境氣體以主動吸入的方式進行檢測;內置鋰電池供電方式，可移動式檢測環境氣體，在無工作電源的場景也可保持常時間的工作狀態。該裝置采用改進后433M無線通信技術，使就地實時采集的環境氣體數據上傳主機。

作為人機交互的從機也工作在實驗室內如圖5所示。

圖6所示為數據采集模塊電路圖。選用8位工業單片機AT89C2051作為數據采集控制器。多個傳感器的4-20mA電流信號經電阻轉換成1-5V的電壓信號，信號經模擬多路復用開關MAX306和運算放大器MAX4123后進入A/D轉換芯片MAX1132實現模擬到數字信號的采集和轉換。

1.3風機控制系統

風機控制系統的機殼采用鋁合金材質，其控制系統結構如圖8所示。內置電源模塊、微型繼電器，采用改進后的443M無線通訊技術接收以及反饋主機的工作指令，從而達到對現場風機啟停的控制。

1.4凈化系統

1）整體設計

凈化系統的機體采用萬向輪移動結構，該裝置主要用于凈化環境空氣中有毒有害氣體，采用水稀釋和吸附劑（Y-X1型吸附劑、5A分子篩、日立吸附劑、KDHF-03）2種方式達到對有毒有害氣體的過濾凈化，通過改進后的443M無線通訊技術接收以及反饋主機的工作指令，如圖9所示。圖中數字代表的含義如下：1、改進后433M無線通訊模塊，2、把手，3、電源插口，4、空氣泵，5、電源模塊，6、吸附劑氣室，7、萬向輪，8、排水口，9、氣泡石，10、316不銹鋼內膽，11、排氣口，12、注水口。

2）硬件電路設計

如圖10所示，系統的硬件由檢測、控制、空氣凈化、人機交互和電源模塊五部分設計組成。由模塊完成甲醛、有毒氣體、粉塵、氣體濃度、溫度和濕度等六種信息的檢測，作為室內空氣質量的檢測指標。通過ADC和串口采集各類氣體的模擬電壓量，從而完成各氣體濃度和凈化算法，最終由凈化模塊完成空氣凈化任務，提高室內的空氣質量。系統運行中的各項數據參數一方面可以顯示在液晶顯示屏，另外一方面用戶可通過手機藍牙遠程遙控和查看。

3）凈化模塊設計

凈化模塊即為室內空氣過濾凈化裝置，其對提升室內空氣的質量起關鍵作用。本設計的采用5層過濾結構的凈化模塊：初級過濾網、活性炭過濾網、FIEPA過濾網、HIMOP過濾層和加濕濾網。第一層為初級過濾網，其可以高效地吸附空氣中粉塵等顆粒，并為后部的過濾網提供一定的保護;活性炭過濾網為模塊的第二層，其原理是采用物理方法進行去除異味;位于中間層的HEPA過濾網不僅可以去除粉塵顆粒，還能吸附煙霧和細菌，具有極高的去除效率;HIMOP過濾層對于甲醛有超強的功效，同時可以濾除空氣中揮發性有機物、苯系物以及可吸入顆粒物等有害氣體;加濕濾網用來濕潤空氣，起到迅速降塵的作用。

2改進433M無線通訊

本設計針對現有技術的不足，設計了一種基于GPRS技術、改進后的433M無線數傳技術和智能傳感器技術相結合的多功能環境遠程監測凈化系統[11-16]，它不僅能同時對多個監測點進行多種環境氣體數據采集、環境溫濕度進行監測、就地風機控制、空氣環境凈化等功能，而且能夠基于改進后433M無線通信協議將各個從機采集的數據匯聚到主機，主機則通過GPRS網絡將數據傳輸到遠程服務器，用戶可通過電腦或者手機上網實時查看環境空氣數據以及現場查看監測系統工作狀態。

文中所述的氣體檢測及凈化系統是通過PM2.5傳感器、甲醛傳感器、溫濕度傳感器以及TVOC（總揮發性有機物）傳感器等實時采集室內空氣的質量數據，通過無線網絡上傳數據到服務器，通過服務器發送命令到系統，控制系統凈化模塊的運行。凈化系統是充分利用感知技術、通訊技術和智能控制技術來實現系統的全面功能，系統采用3層體系結構：即室內環境氣體感知層、數據鏈路層和應用服務層。

與傳統433M技術相比，改進433M技術的通信數據采用AES數據加密，保證數據通信安全性;數據都采用了強化版CRC校驗，提高數據通信的抗干擾能力。每個終端設備內部都做有中繼跳轉算法，實現設備與設備之間間隔通信。內部增加數據重發機制，當某個終端設備通信五次不成功，通信主設備認為此終端設備處于離線狀態。系統的總體凈化結構圖如圖11所示。

室內環境氣體感知層中最基本的就是各種不同功能的傳感器，通過適量的傳感器節點組成的感知網絡實現對室內空氣質量的全面感知，并且通過無線網絡進行聯網，實現數據信息的實時匯聚與傳輸。通過模塊化結構對各個感知節點進行設計，能夠有效的感知室內的空氣質量。網絡傳輸層即對各個網關節點的信息進行處理，完成交互和融合，通信技術采用改進的433無線通信技術。應用服務層通過各個感知節點的信息，對凈化設備進行與否遠程操控。

3實際測試過程及分析

現將本系統應用在實驗室進行系統測試，主界面顯示如圖12所示，可根據需要進入的實驗室，查看對應的環境監測數據。

當環境正常時，氧氣含量約在20.9%左右，其他氣體從機監測的數值為0，此時可進入實驗室房間內。

給各個實驗室通入各類有毒有害氣體、易燃易爆氣體時，從機采集到數值通過433M無線通訊傳輸給顯示主機界面，監測到的氣體濃度實時顯示，如圖13所示。此時風機會白動啟動，空氣凈化系統也會白動啟動。

當風機啟動對室內換風后或者空氣凈化后，從機監測到有毒有害、易燃易爆氣體數值為0后，室內環境又恢復正常，此時風機及凈化系統白動關閉。報警解除，人員可再次進入實驗室。

上述實驗證明了研究的基于改進433M無線通信技術的多元氣體檢測及凈化系統能夠對環境的氣體進行檢測，當超標時會白動凈化空氣，空氣有害氣體含量低于閾值時，報警解除，具有良好的實際應用效果。

4結語

為了準確有效地對實驗室排放的多元氣體進行連續自動的檢測，文章基于GPRS改進的433M無線傳輸技術，結合高性能氣體傳感器，詳細分析了主機系統、從機系統、風機控制系統、凈化系統以及上述系統的改進433無線通訊系統。分析及試驗結果表明：該系統可以穩定地實現定時或實時傳輸數據，該系統成本較低，可以廣泛應用于化工，食品行業和毒氣檢測等領域。

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收稿日期：2020-01-06

作者簡介：尹元躍（1971-），男，漢族，安徽蕪湖人，大學本科，高級工程師，研究方向：電力系統與自動化。