室内有害气体监测系统设计研究

陈兆刚

(淮安市产品质量监督检验所，江苏淮安　223001)



室内有害气体监测系统设计研究

陈兆刚

(淮安市产品质量监督检验所，江苏淮安223001)

摘要:针对室内主要的污染气体，设计了室内有害气体监测系统。系统对当前的主要有害气体检测传感器进行了集成，并设计了集成电路。系统采用CC2420射频接发器组建无线网络，同时选用AT90CAN128型号的AVR单片机实现通讯控制和信号采集，并利用LabVIEW设计了上位机系统，实现了数据虚拟仪器的显示。最后对整个系统进行了标定，其结果符合技术指标要求。

关键词:有害气体;监测;系统设计

当前，室内环境污染日益严重，使得人们越来越重视室内的空气质量［1］。目前室内空气污染主要由室内装修所用涂料、油漆和人造板材及家具释放的总挥发性有机物(VOC)、苯系物、甲醛等污染物所致［2］。空气污染严重损害人的身体健康，给人造成急性或是慢性及潜在的危害，因此对室内有害气体的检测显得尤为重要。目前主要的有害气体检测设备分为便携式和固定式有害气体检测仪，分别在移动性和连续性检测方面有一定的优势［3］。目前人们对联网的监控及实时数据的检测和处理的需求日益增加，而市面上所提供的系统及方案不是存在一定的局限性，就是成本太高，因此实现多种有害气体监测系统的集成化、智能化、小型化就具有重要的现实意义［4］。

1　系统设计

本文研究设计的室内有害气体监测系统如图1所示。系统主要由检测部分与控制部分组成。其中检测部分处于监测环境中，可实现对室内空气质量的整体评估，并能在一段时间内监测多种有害气体的浓度变化。控制部分，主要负责信号的传输与数据的显示。在设计电路时，应保证其精度高于传感器，从而保证整个系统的测量精度。各种有害气体的测量精度，由所选的传感器的分辨率决定。传感器输出的信号经过处理后，通过RF无线射频发射器以无线方式发射出来，再经RF无线接收端接收并传输到计算机上位机程序中进行计算、显示。

图1　监测系统框架

2　传感器电路设计

从20世纪30年代开始，为便捷地检测厂矿与家庭的煤气、天然气等有害气体，对气体传感器的研究逐渐在国外兴起［5］。当前市面上存在多种气体传感器，用于对气体进行定性、定量检测，常用传感器型号及参数见表1。

电路作为检测系统中至关重要的部分，影响着整个系统的精度与可靠性。传感器等效电路如图2所示。

表1　所选传感器型号及参数

传感器的工作电路，其功能一是保证传感器正常工作时的电位与极性;二是将输出的电流信号转换为电压信号;三是进行信号处理，如滤波。

甲醛电化学传感器的工作电路如图3所示。

图3　甲醛电化学传感器的工作电路图

工作电路由电容、电阻、场效应管与运算放大器LM741等组成。当系统工作电源打开后，场效应管Q1断开，运算放大器U1A的端口1对C管脚提供电流，U1B的端口7对S管脚提供电流。

其他传感器电路与图3基本一致，只是传感器要求的负载电阻不同。由于传感器输出的信号为μA级别的电流信号，需要选择具有高抗、低漂、失调电压小等性能的运算放大器将信号转换成电压信号。根据企业实际需求，运算放大器选用LM741。为保证信号极性的可靠性，运算放大器选用双电源供电，同时还应考虑低功耗与放大倍数。整个系统的传感器电路的集成化，可以灵活适应监测气体的种类变化的需求。

3　通讯系统设计

本测量系统采用Chipcon As公司的CC2420 2.4GHz IEEE802.15.4标准射频收发器，其应用电路如图4所示。

图4　CC2420应用电路

通常，一个无线通讯节点需要包括3大模块:处理模块、通讯模块、电源模块［6］，如图5所示。

图5　通讯节点结构图

其中，RS－232接口满足RF接收模块中的处理器AT90CAN128与PC之间的串口通讯需求。系统通讯程序如图6所示。

4　上位机程序设计及标定

对于实时监测系统，数据需要实时显示，并实现数据显示的多样化。虚拟仪器的使用，可以降低整个系统的硬件成本，突破显示仪表的固定化瓶颈，有利于监控系统后期的升级，同时降低整个系统设计成本。本系统上位机程序采用LabVIEW进行设计，实现传感器数据和曲线的实时显示，如图7所示。

上位机程序采用多线程设计，程序设计时，通过串口界面配置串口号、数据传输波特率、数据位等，示例的系统界面如图8所示。界面可以实现对3个传感器数据的采集，同时在右侧的窗口可切换显示不同种类有毒气体的气体浓度变化曲线，直观展示室内有毒气体浓度的变化情况。

图6　通讯程序流程图

图7　原理框架图

图8　系统界面图

测量系统在使用前需要进行标定，本系统集成的多个传感器的标定方法大致相同。通用的标定方法:选取市面上已通过审核的高精度气体检测仪，与本系统同时置于检测环境之中，对响应时间、示值误差、稳定性、重复性、报警误差进行检验与校准。相关技术指标见表2。

表2　技术指标

本系统对于甲醛测量的灵敏度为0.05mg/L，将系统置于测量环境中，时间为5min，读取测量数值，并与标准甲醛测量传感器进行对比，结果见表3。

表3　重复测量误差

对本系统其他测量项的标定，采用类似的方法，结果均符合表2的技术指标的要求，因此本系统符合测量需求，可以实现对室内几种有毒气体的监测。

5　结束语

本文设计的室内有害气体监测系统，集成了多种有毒气体传感器，体积小，成本低，可检测多种有毒气体，并能将监测的结果实时地在虚拟终端上直观显示出来，为解决室内有毒气体的监测提供了可行方案。但本系统尚有不足之处，首先采用了LabVIEW设计上位机系统，依赖一定的操作平台，其次本系统未对室内有毒气体浓度空间分布概况进行分析。

参考文献:

［1］杨海.室内空气净化现状及主要问题［J］.北方环境，2013，29 (3) :164－170.

［2］钱华，戴海夏.室内空气污染与人体健康的关系［J］.环境与职业医学，2007，24(4) :426－430.

［3］李胜，陆海波，张辉宜.室内有害气体在线监控系统的设计与实现［J］.南京师范大学学报，2012，12(2) :74－79.

［4］Tong Yifei，Tang Zhaohui，Gong Zhibing.Function analysis of mature products based－on function unit table［J］.Applied Mathematics＆Information Sciences，2014，8(4) : 1749－1754.

［5］李勋涛.有毒气体无线监测网络设计［D］.合肥:合肥工业大学，2010:1－2.

［6］李智敏，陈祥光.无线传感器节点模块级故障诊断方法的研究［J］.仪器仪表学报，2013，34(12) :2763－2769.

The design of indoor harmful gas monitoring system

CHEN Zaogang
(Huaian Products Quality Supervision and Inspection，Jiangsu Huaian，223001，China)

Abstract:Aiming at indoor harmful gas detection，it develops the monitoring system.This system integrates current major hazardous gas detection sensors，designs special circuit system，uses CC2420 RF transceiver to build a wireless network device，applies AT90CAN128 models AVR MCU control communications as signal acquisition，develops PC system based on LabView，realizes the virtual instrument display data mode.At last it verifies the system effectiveness.

Key words:harmful gases; monitor; system design

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.021

作者简介:陈兆刚(1977—)，男，江苏淮安人，淮安市产品质量监督检验所工程师，主要从事检验方法的研究。

收稿日期:2015－04－13

中图分类号:TP63; TP3

文献标志码:A

文章编号:2095－509X(2015) 06－0082－04