摘  要： 工礦企業(yè)或市政施工現(xiàn)場的作業(yè)人員因作業(yè)環(huán)境中毒害氣體超標導致中毒或窒息引起傷亡事件時有發(fā)生。為實時監(jiān)測和預警作業(yè)環(huán)境中的毒害氣體并及時反饋給作業(yè)人員和現(xiàn)場負責人，設計開發(fā)了一種用于作業(yè)現(xiàn)場危害氣體的智能預警穿戴系統(tǒng)。首先給出該系統(tǒng)的架構設計，再進行硬件和軟件子系統(tǒng)設計，其中硬件部分包括系統(tǒng)主控平臺和電化學氣體（ECG）傳感模塊，軟件部分包括系統(tǒng)主控平臺程序和安卓平臺。本系統(tǒng)具有體積小、攜帶方便、成本低、檢測氣體種類靈活可變等特點，可以實時監(jiān)測作業(yè)環(huán)境中的氣體濃度值并及時告警，從而保障作業(yè)人員的人身安全。

　　關鍵詞： 危害氣體；電化學氣體傳感器；智能預警；穿戴系統(tǒng)

0 引言

　　在人們的日常生活中，大量的易燃易爆、具有毒性和腐蝕性的化學物品被廣泛應用?；饒黾捌渌麨碾y事故中常產(chǎn)生NH3、CO、CO2、SO2、H2S等氣體，這些氣體大部分毒性很強或有害，如果不采取防范措施，就會有生命危險。工業(yè)事故使大量危害氣體泄露，這對工作在這種環(huán)境中的作業(yè)人員是一個很大的考驗。

　　筆者對近2年內(nèi)工人因毒氣泄露中毒的新聞報道進行了統(tǒng)計整理，并統(tǒng)計出危害氣體導致作業(yè)人員中毒的數(shù)目，從中發(fā)現(xiàn)，近年來毒氣泄露造成現(xiàn)場工作人員死傷的報道逐年增加。所以保護作業(yè)時人員的安全，營造安全的工作環(huán)境刻不容緩。

1 系統(tǒng)架構分析與設計

　　本文介紹了一種毒害氣體預警系統(tǒng)，能夠實時檢測現(xiàn)場毒害氣體濃度，并將濃度值反饋到手機中。本文以CO為例，介紹毒害氣體預警系統(tǒng)的硬件和軟件架構。

　　圖1是系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲圖。系統(tǒng)由上位機、無線路由（AP）和氣體預警單元組成。上位機和氣體預警單元通過AP連接，氣體預警單元將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機中，手機顯示實時數(shù)據(jù)，設置危害氣體的告警閾值和綁定作業(yè)人員的信息。同時，氣體預警單元也可以直接進行本地的視覺、聽覺和觸覺的告警[1-2]。

2 系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 硬件子系統(tǒng)設計

　　系統(tǒng)分為兩大部分：系統(tǒng)主控平臺和電化學氣體（ECG）傳感模塊，其框架如圖2所示。其中系統(tǒng)主控平臺包括電源管理模塊、微控制器和短距無線通信模塊；ECG傳感模塊則可以根據(jù)實際需求，添加CH4、CO、O2、H2S等氣體傳感模塊，包括模擬前端（AFE）模塊、A/D模塊、參考電壓、ECG傳感器[3]。

　　ECG傳感器模塊中的ECG傳感器將采集到的氣體濃度數(shù)據(jù)轉換為電流信號，AFE模塊將該信號放大并轉為電壓信號輸出，A/D模塊將AFE輸出的模擬電壓信號轉為15位的數(shù)字信號。參考電壓電路為AFE模塊提供一個較為精準的2.5 V電壓，在進行氣體濃度計算時確保數(shù)據(jù)準確。

　　系統(tǒng)主控平臺和ECG傳感器模塊之間通過I2C進行數(shù)據(jù)傳輸、AFE和AD寄存器的配置等。系統(tǒng)主控平臺中的微控制器將傳入的15位數(shù)字信號轉換為對應氣體的濃度值，通過SPI總線控制短距無線通信模塊，以一定的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送至移動終端。

　　2.2 系統(tǒng)主控平臺

　　（1）電源管理模塊：電池充電電路芯片選用Microchip公司的MCP73123，輸出3.6 V給充電電池充電；充電電池則選擇穩(wěn)定性較好的磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）；電池放電電路芯片采用Murata公司的LXDC3EC，能將2.5~5.5 V的輸入電壓穩(wěn)定輸出為3.3 V。電源管理模塊框架如圖3所示。

　?。?）微控制器：采用TI公司的MSP430FR5739，采用鐵電存儲器，超低功耗，支持硬件I2C和SPI總線等；微控制器與ECG傳感模塊通信使用I2C總線。

　?。?）短距無線通信模塊：選取TI公司的CC3000芯片，它是一種低成本和低功耗的WiFi通信芯片。

　　2.3 ECG傳感模塊

　?。?）AFE模塊：ECG傳感器一般需要一塊AFE芯片來進行信號的預處理，比如放大和濾波。本系統(tǒng)選用TI公司的LMP91000作為AFE，LMP91000與ECG傳感器之間通過CE/RE/WE 3線連接；想要選中某一塊LMP91000時，微控制器對LMP91000進行使能，需要將MENB引腳拉低，再通過芯片的I2C地址來進行芯片的配置。

　?。?）A/D模塊：為了實現(xiàn)更高精度的轉換，本系統(tǒng)另外添加A/D轉換芯片，選用TI公司的ADS1110，16位分辨率，支持I2C；AFE模塊通過Vout端口向A/D模塊傳輸電壓模擬量，微控制器通過I2C總線控制轉換結果的輸出。

　?。?）參考電壓：為了保證A/D轉換精度，外接2.5 V的參考電壓，本系統(tǒng)選用TI公司的LM4120-2.5芯片，它的輸入電壓為電源管理模塊的輸出電壓3.3 V，它的輸出電壓為2.5 V。

　　（4）ECG傳感器：與金屬氧化物氣體傳感器、紅外型氣體傳感器相比，ECG傳感器具有性能好、價格低、功耗小、測量范圍廣的特點。本系統(tǒng)采用Solidsense公司的ECG傳感器，可選的傳感器有CH4、CO、O2、H2S、CI2、SO2、NO等氣體傳感器。

3 軟件子系統(tǒng)設計

　　3.1 系統(tǒng)主控平臺程序設計

　　圖4所示為系統(tǒng)主控平臺程序流程圖。首先設置時鐘頻率，初始化GPIO口、I2C和SPI總線。通過SPI初始化CC3000模塊，并連接到AP。通過I2C對ECG傳感器模塊上的LMP91000和ADS1110控制字寄存器進行配置，為ECG傳感器信號放大和ADC做準備。ECG進行預熱，一般來說CO ECG傳感器預熱需要1 min左右。判斷ADS1110中的配置字與之前寫入的是否一致，一致則繼續(xù)，否則跳轉再配置ADS1110。最后讀取ADS1110中的15位轉換值，轉換成對應的氣體濃度，通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送到手機終端，間隔30 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)幀[4]。

　　3.2 安卓平臺應用軟件設計

　　安卓平臺開發(fā)使用Eclipse開發(fā)環(huán)境，所開發(fā)的界面如圖5所示，包括主界面、實時數(shù)據(jù)界面和設置界面。

　　（1）主界面：開啟TCP服務器，等待多個毒害氣體監(jiān)測設備連接（最多同時支持5個設備），選擇設備號查看實時CO的濃度，同時可以跳轉進入設置界面。

　?。?）實時數(shù)據(jù)界面：可以查看設備、使用者信息、工號等信息，顯示CO的實時濃度值，并與設定的閾值進行對比，同時使用文字提醒和三色濃度值提醒，即顯示CO濃度是否正常，正常濃度值數(shù)據(jù)位顯示為綠色，臨界值顯示為橙色，警告值顯示為紅色。

　?。?）設置界面：可以設置CO的閾值，綁定設備號、使用者姓名和工號等信息[5]。

4 實現(xiàn)與驗證

　　圖6是系統(tǒng)硬件的實物圖，其中圖6（a）是正面圖，主要是系統(tǒng)主控平臺，圖6（b）是背面圖，其中①是微控制器，②是短距無線通信模塊，③是ECG模塊，④是LiFePO4電池。ECG模塊通過接插件安裝在系統(tǒng)主控平臺的背面。

　　4.1 系統(tǒng)測試方案設計

　　本文設計了如下實驗環(huán)境：將已連接AP（TL-WR740N）的系統(tǒng)主控平臺放入一個密閉的玻璃器皿中，并用蘸有酒精的醫(yī)用棉點燃并放入其中，以此來制造CO。從剛開始到最后醫(yī)用棉因缺氧而熄滅，CO的濃度是逐漸增加；將密閉的空間人為地制造一個縫隙，讓空氣擴散進入，等待一段時間，最后將密閉容器移除，CO的濃度將逐漸降到0 PPM。

　　4.2 實驗數(shù)據(jù)分析

　　CO濃度變化曲線如圖7所示，CO濃度數(shù)據(jù)每隔30 s傳輸1次。從0時刻開始，系統(tǒng)主控平臺剛放入密閉的器皿中，所以CO濃度為0 PPM；在60 s的時刻，醫(yī)用棉點燃，過了3 s因缺氧而熄滅，CO濃度迅速增加；在120 s的時刻，CO濃度達到最大值；從150 s的時刻開始，空氣擴散進入器皿，CO濃度緩慢降低，直到600 s的時刻還有一定濃度的CO；在750 s的時刻，密閉容器全部移除，系統(tǒng)主控平臺暴露在空氣中，CO濃度迅速下降；到780 s的時刻，CO濃度又恢復為0 PPM。

5 結論

　　本文介紹了一種用于作業(yè)現(xiàn)場危害氣體的智能預警穿戴系統(tǒng)的軟硬件設計。傳統(tǒng)的氣體檢測儀多為固定設備，不靈活，需要人工讀數(shù)，從而降低作業(yè)人員的效率。與之相比，本系統(tǒng)的硬件具有體積小、攜帶方便、檢測氣體種類靈活可變等特點。本文驗證了CO ECG傳感器能實時檢測變化的CO濃度并轉換為PPM值，并傳到安卓平臺，而給CO濃度值做標定是下一步的工作。

參考文獻

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　　[2] RADU T， FAY C， LAU K T， et al. Wearable sensing application-carbon dioxide monitoring for emergency personnel using wearable sensors[J]. International Conference on Environmental Systems Engineering， ICESE 2009， Venice， Italy， 2009.

　　[3] 陳征，劉開華.基于MSP430的多用便攜式測量儀的設計[J].電子測量技術，2012（5）：36-39.

　　[4] 沈建華，楊艷琴.MSP430超低功耗點偏激原理與應用（第二版）[M].北京：清華大學出版社，2013.

　　[5] 李剛.瘋狂Android講義[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.