基于物聯網技術的遠程多通道分時氣體采樣裝置設計研究

唐慧鋒

摘要：該文結合遠程在線多通道環境氣體采樣儀設計開發項目實例，論述了基于物聯網技術與PLC控制技術為核心的遠程多通道分時氣體采樣裝置的設計，通過優化通道設計，利用PLC的定時器實現多個通道分時采樣，無線通信模塊實現無線遠程控制繼電器的開合來觸發PLC。本裝置解決了人工現場看守氣體采樣及有毒有害氣體環境下氣體采樣問題。

關鍵詞：分時采樣裝置;多通道采樣;遠程控制;PLC控制;氣體采樣

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）18-0100-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

目前國內對工業生產、汽車尾氣排放、燃燒物等污染源的監測主要分兩類在線監測與手工監測。在線監測對于復雜成分氣體分析難度較大，有時候還需要手工采樣氣體樣品到實驗室進一步分析[1]。針對手工監測我們國家也有相關的規范及標準，比如《HJ 194-2017 環境空氣質量手工監測技術規范》《GB37822-2019 揮發性有機物無組織排放控制標準》，這些規范及標準中都提到使用直接采樣法采集瞬時樣品，1小時內等時間間隔采集3-4個樣品。

等時間間隔的采樣，對樣品數據分析有很大的幫助。目前相關標準中是一個通道的采樣裝置，一個小時內采集3-4個樣品，一個氣體樣品采樣結束后，手工換上新的氣體采樣袋，然后定時采樣，需要人工值守在旁邊，直到采樣結束。對于長期從事污染源采樣的工作人員滯留污染源時間長對健康不利，同時工作效率不高，時間間隔誤差。本文討論基于物聯網技術的遠程多通道分時氣體采樣裝置相對于傳統一個通道的氣體采樣裝置，具有安全、高效等時間間隔等優點的氣體采樣裝置。

1 系統結構

基于物聯網技術的遠程多通道分時氣體采樣裝置分為下位機與上位機，如圖1：

上位機是由服務器和客戶端組成，客戶端與服務器建立連接后，客服端可以讀取服務器相關數據，知道GPRS模塊是否通電，以及用于控制PLC電源的繼電器P1是否閉合，觸發PLC工作的繼電器P2是否閉合。下位機的GPRS無線數傳通信模塊開發板通電情況下，客戶端通過修改服務器的相關數據，可以控制PLC電源的繼電器P1是開或閉合，觸發PLC工作的繼電器P2開或閉合。

本文介紹的是2通道設計，大于2通道的設計可以根據本文介紹的原理擴展。

采樣裝置的硬件部分由PLC控制器帶觸摸屏一體機、GPRS無線數傳通信模塊開發板，繼電器2個、電磁閥2個、泵1個、電池模塊輸出12V與24V兩種電壓值、真空采樣箱2個、氣體采樣袋2個等組成。

下位機的GPRS模塊通電后與服務器建立連接，將用于控制PLC電源的繼電器P1是否閉合，觸發PLC程序工作的繼電器P2是否閉合，這兩個繼電器的狀態信息反饋給服務器。控制PLC電源的繼電器閉合，PLC通電，觸發PLC程序工作的繼電器P2閉合，PLC按照設置的時間序列進行工作。電源模塊24V電源供給PlC，12V供給GPRS模塊與泵及控制氣路的電磁閥。

2 裝置硬件設計

2.1 物聯網通信模塊

GPRS通信技術是一項基于TCP/IP協議的無線通信傳輸技術，GPRS具有傳輸速度快，按照數據流量計費，本系統只是傳輸幾個開關量，數量量很小，按照流量計費可以使得系統流量費用非常經濟[2-4]。一般GPRS模塊與MCU控制器串口通信，控制器控制繼電器或外設，GPRS模塊與服務器建立連接。本文選用GPRS無線數傳通信模塊開發板 ，該開發板應用于物聯網終端產品設計時，無須外掛MCU控制器，開發板帶有GPIO引腳用于控制繼電器，通過直接使用GPRS無線數傳通信模塊開發板廠家提供的SDK開發包或腳本語言，調用API函數與服務器建立連接，根據通信模塊下位機收到服務器發來的指令，來設置pio.P0_4與pio.P0_5來控制狀態，繼而達到控制繼電器P1或P2的開與合[2]。圖2是pio.P0_4控制繼電器P1。

2.2 負壓箱設計

2.2.1 負壓箱設計

負壓箱采用密封性能比較好的長方體塑料箱，塑料箱帶上蓋，箱體側面裝兩個接口，其中一個接口裝上單向閥門，氣源的氣體可以進入負壓箱體里面的氣體采樣袋;該接口的外部通過硅膠軟管或聚四氟乙烯管延伸到氣源，接口另一頭在箱體內，用硅膠軟管或聚四氟乙烯連接單向閥門進氣端，單向閥門的出氣端，通過硅膠軟管或聚四氟乙烯接到氣體采樣袋閥門進氣咀上。另一個接口是里外直通的，接口外部通過硅膠軟管或聚四氟乙烯連接到采樣裝置的通道一或通道二;為了保護泵，可以在這個氣路管中間上安裝一個過濾吸附裝置，比如活性炭過濾，吸附空氣中水汽、顆粒物、腐蝕性氣體等。

2.2.2 負壓箱采樣工作原理

當氣體采樣袋閥門打開狀態下，蓋上負壓箱上蓋，通道抽氣，負壓箱形成負壓，為了使得箱體內壓力平衡，氣源的氣體通過管路流到袋子里面。單向閥門作用是氣源的氣體一旦進入氣體采樣袋里面，氣體樣品就一直留在氣體采樣袋中，等待人工開箱取出氣體采樣袋樣品氣體。通過這個原理實現了氣體采樣袋氣體樣品取樣。工作人員只要打開箱體上蓋，關上氣體采樣袋上面的閥門，拔下連到氣體采樣袋閥門氣咀的管子，然后重新換上新的氣體采樣袋，可以繼續下次的氣體樣品采樣。

2.3 多通道設計

2.3.1 多通道并行設計

多通道設計是實現多通道分時氣體采樣裝置的核心裝置，本系統主要是泵吸氣方式來采集氣體樣品，2個氣路分別連接到外部的負壓箱，為了兩個負壓箱單獨工作，設備里面的內部氣路需要并行設計，從泵抽氣管分出兩個并行氣路，在每個氣路上設置一個電磁氣閥，電磁閥的進氣端與外部的負壓箱相連，電磁閥的出氣端與泵分出的氣路相連。

2.3.2 多通道并行設計控制過程

當電磁氣閥開的狀態，泵工作，那么這一氣路通，泵可以抽到該氣路相連的負壓箱里面的氣體，使得負壓箱形成真空度，從而使得負壓箱里面的氣體采樣袋吸到箱外面的氣源氣體。采樣時間到，電磁閥門關閉，泵停止工作，氣體采樣袋采集到這段時間段的氣體量。等待間隔一定時間，可以啟動第二個通道進行相同的采樣。

2.3.3 多通道并行設計優點

并行設計的好處是每個并行氣路是單獨工作，可以做到一個通道工作，泵的吸氣能力都集中到這個通道上，其他通道氣路是處于中斷狀態。從這個原理上來說，同樣一個泵，2個通道的裝置與20個通道的裝置，隨著通道數量的增加，泵的處理能力還是一樣的，不受通道數量的增加而減弱。這種并行設計對以后裝置通道數量的擴充非常有利;通道與通道間是獨立分開可以實現分時采樣獲得的不同時間點氣體樣品，只要事先將每個通道的負壓箱及氣體采樣袋按照要求放好，設置每個通道的采樣時間，每個通道間的間隔時間，中間時間不需要手工去處理，比如取下已經采樣好的氣體采樣袋，然后換上新的氣體采樣袋，人工值守旁邊看著時間等著氣體采樣，再取下已經采樣好的，準備再換新的氣體采樣袋。

2.3.4 通道并行設計與單通道相比的優勢

相對于一個通道的采樣裝置，要做到間隔時間比較短的采樣工作，是沒有辦法實現的，取下已經采集好的氣體采樣袋，然后再換上新的氣體采樣袋，每次都要打開負壓箱及拔插氣體采樣袋的需要時間。多通道設計從原理上說通道與通道的時間間隔是由程序控制，時間間隔可以做到非小，比如秒級的時間間隔。

3 軟件設計

3.1 通信模塊設計

調用GPRS無線數傳通信模塊開發板自帶的SDK開發包或者廠家提供的腳本語言，編寫下位機程序。服務器端可以用Vc++開發環境，用C語言調用windows自帶的SDK包winsock編寫服務器軟件，數據可以存到access 數據庫或者用數據文件直接存儲數據。客戶端可以直接用C、Perl語言編寫CGI程序直接讀取服務器里面的數據文件，web界面作為登錄界面[3-5]。客戶端也可以是微信小程序作為客服端與服務器端通過HTTP協議建立通信。可以利用微信的API函數建立WebSocket連接，wx.connectSocket（），wx.onSocketOpen（），wx.sendSocketMessage（），wx.closeSocket（）通過這四個函數，可以與服務器先建立連接、打開連接、向服務器發送消息、然后關閉連接。下面的代碼是在luat開發模式的lua腳本編寫的通信模塊下位機客戶端部分程序，繼電器P1與繼電器P2分別由pio.P0_4與pio.P0_5來控制，首先通過pio.pin.setdir（）pio.pin.setval（）設置pio.P0_4與pio.P0_5的輸出方向及電平，通過socket通信，Socket.isReady（）來判斷SOCKET是否有可用，如果socket有用則創建一個socketclient=socket.tcp（），然后通過Socketclient：connect（ipaddress，port）建立連接，連接成功后一直循環接收服務器的數據，然后把數據又發送給服務器，直到接收數據不成功，跳出循環，Socketclient：close（）斷開socket連接。程序里面接收到data數據為open1就設置pio.P0_4為高電平，繼電器P1閉合;接收到data是close1設置pio.P0_4為低電平，繼電器P1斷開，下面是lua腳本代碼關于socket的通信代碼：

pio.pin.setdir（pio，OUTPUT，pio.P0_4）

pio.pin.setdir（pio，OUTPUT，pio.P0_5）

pio.pin.setval（0，pio.P0_4）

pio.pin.setval（0，pio.P0_5）

Local result， data

If Socket.isReady（） then

Local socketclient=socket.tcp（）;

If Socketclient：connect（ipaddress，port） then

While true do

result，data=socketclient.recv（1000）

If result then

If data==open1 then

pio.pin，setval（1，pio.p0_4）

result=socketclient.send（data）

elseif data==close1

pio.pin，setval（0，pio.p0_4）

result=socketclient.send（data）

elseif data==open2

pio.pin，setval（1，pio.p0_5）

result=socketclient.send（data）

elseif data==close2

pio.pin，setval（0，pio.p0_5）

result=socketclient.send（data）

end

else

log.info（"接收數據不成功"，data）

break

end

end

else

log.info（"socketconnect不成功"，“連接不成功"

end

Socketclient：close（）

end

3.2 PLC軟件設計

本系統控制器是PLC觸摸屏一體，PLC的輸入X0作為啟動控制程序的開關，GPRS無線數傳通信模塊開發板控制繼電器P2用來控制這個X0開與關。在程序啟動前，設置好時間參數，通道一工作時間，通道一與通道二間隔時間，通道二工作時間。如果泵是流量可調泵，設置好泵的流量。這些參數是根據袋子大小，負壓箱的大小，采樣時間點來控制。若選用的泵是帶脈沖調速控制接口，通過改變占空比來改變泵電機轉速，從而調節流量;如果選擇泵不帶脈沖調速控制接口的直流泵，直接接通正負極電源，泵即可工作。本系統對流量要求不高，就直接可以選用不帶脈沖調速接口的泵，通過PLC的輸出Y4來控制泵的開與關。Y5輸出控制電磁閥門第一個通道，Y6輸出控制電磁閥第二個通道。X0閉合，輸出Y4，輸出Y5，通道一工作，工作時長T1，T1時間到，關閉輸出Y4，Y5;T1時間到，T2開始計時，T2作為通道一與通道二時間間隔，T2時間未到時，通道二工作前的等待;T2時間到，T3開始計時，輸出Y4，Y6，通道二開始工作，時長T3，T3時間到，關閉Y4，Y6，整個采樣結束。程序流程圖如圖3：

4 系統調試

準備2個10升容量的負壓箱（箱子尺寸內尺寸長寬高：260×200×180mm），1L氣體采樣袋2個（膜材質：PVDF薄膜，E-Switch的聚丙烯閥門 ，尺寸長寬：240×160mm，上海申源科學儀器有限公司）按照要求連接到控制設備上，手機打開微信搜索申源物聯，找到申源物聯小程序，登錄小程序，找到需要控制的設備，然后點擊開設備，PLC通電并啟動，設備的泵的流量是10L/min，根據袋子大小及箱子大小，設置通道1與通道2的時間30秒左右，設置通道1與通道2的時間間隔5分鐘。手機客戶端點擊采樣工作按鈕，泵開始工作，通道1打開，氣源的氣體慢慢進入負壓箱內的采樣袋，30秒到，泵停止工作，通道1關閉，中間等待5分鐘后，泵開啟，通道2打開，第二個負壓箱內的氣體采樣袋進行采樣，30秒到，泵停止工作，通道2關閉，結束采樣。裝置按照預設的時間正常工作。

通道1與通道2的工作時間，開始設置時間不要過長，可以嘗試幾次知道多大的負壓箱對應于多大的袋子，時間多長，把這些經驗值記錄到系統的常用容量表中。

若系統通道數擴張到4通道，使用直接采樣法采集瞬時樣品，1小時內時間間隔采集3-4個樣品。該設備符合《HJ 194-2017 環境空氣質量手工監測技術規范》《GB37822-2019 揮發性有機物無組織排放控制標準》。實物圖如圖4：

5 結論與建議

綜上所述，本裝置利用GPRS無線通信技術模塊開發板及PLC控制器、泵、繼電器、電磁閥、負壓箱、氣體采樣袋等，客戶端、服務器、下位機三者結合的方式，實現了遠程多通道分時氣體樣品采樣。上位機微信小程序連接服務器，發送指令給通信模塊，作為遠程觸發通道工作的開關。通道間并列設計實現每個通道單獨控制，利用PLC時間序列實現分時。試驗表明：本文只是介紹了2個通道，當然可以按照本文的原理可以擴張更多的通道，該系統可以很好解決遠程規定時間內等時間間隔多個氣體樣品采樣，方便針對同一點氣源，在不同時間點氣體樣品收集，或者在一些有毒氣體場合，不方便工作人員現場長時間停留等待取樣的場景，這個裝置取樣安全、簡單、使用方便。對環境空氣手工監測以及無組織排放氣體樣品采樣使用與推廣具有重要意義。

參考文獻：

[1] 李天麟，劉立鵬，韓雙來，等.便攜式非甲烷總烴色譜儀的研制和應用[J].現代科學儀器，2018（2）：54-58.

[2] 崔天時，孫建偉，呂信超，等.基于GPRS的農田灌溉系統[J].農機化研究，2016，38（10）：193-197.

[3] 徐海峰.基于Web技術GPRS技術的遠程測控系統設計[J].電力自動化設備，2009，29（7）：134-137.

[4] 陳上明，宋躍，黃曉鋒，等.基于GPRS的自動灌溉系統硬件設計[J].實驗室研究與探索，2012，31（6）：10-13.

[5] 茍怡，趙慶川.煤礦采空區氣體自動采樣裝置設計[J].現代科學儀器，2021，38（4）：10-12.

【通聯編輯：光文玲】