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

　　摘要：為了提高空氣質(zhì)量監(jiān)測水平，實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣中的一氧化碳濃度，設(shè)計(jì)了以ARM處理器S3C2410為硬件核心的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)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(yùn)行穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)對空氣中一氧化碳濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有較高的實(shí)用性，可用于日常性和突發(fā)性的空氣污染監(jiān)測。

　　關(guān)鍵詞：ARM ；一氧化碳；實(shí)時(shí)監(jiān)測；GPRS

0引言

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)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(shí)，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(huì)發(fā)生CO濃度超標(biāo)的情況，因此有必要設(shè)計(jì)一個(gè)能對空氣中的CO進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)行傳輸匯總的系統(tǒng)，及時(shí)了解不同地區(qū)空氣中CO濃度的情況，超標(biāo)時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒［3］，以便環(huán)保部門及時(shí)進(jìn)行污染處理。

1監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　本監(jiān)測系統(tǒng)由氣體檢測模塊、核心處理模塊以及報(bào)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(jìn)行測量獲取，采集到的電流信號(hào)傳送至調(diào)理電路，調(diào)理電路對傳感器進(jìn)行自動(dòng)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(jìn)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(jìn)行處理，若濃度超過設(shè)定的閾值便及時(shí)發(fā)出警報(bào)。

2硬件電路設(shè)計(jì)

　　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(jī)氣體時(shí)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。

　　2.1.1CO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(kuò)散到工作電極表面時(shí)，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(gè)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(jì)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。

     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(shí)，需每隔一段時(shí)間對其進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)零，否則由于傳感器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其輸出的電流信號(hào)必會(huì)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2LMP91000結(jié)構(gòu)框圖LMP91000芯片通過可編程的增益控制和溫度補(bǔ)償，能夠完成傳感器的自動(dòng)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。

　　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(hào)進(jìn)行的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、終端顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等任務(wù)，并將處理所得的數(shù)據(jù)傳輸給通信模塊進(jìn)行傳輸。核心處理模塊的系統(tǒng)框圖如圖4所示。

　　2.2.1A/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(shí)為5 V和33 V兩個(gè)不同的系統(tǒng)之間提供雙向接口，以實(shí)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(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對系統(tǒng)的安全性、可靠性、正常運(yùn)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(diǎn)，監(jiān)測地點(diǎn)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(bào)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(jìn)行傳輸，測得氣體濃度超過設(shè)定的閾值就發(fā)出警報(bào)，以便工作人員發(fā)現(xiàn)并及時(shí)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(shí)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(qiáng)。

3軟件設(shè)計(jì)

　　軟件需要實(shí)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(jì)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

　　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(gè)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(shí)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(jī)開發(fā)環(huán)境，使用armlinuxgcc341進(jìn)行編譯，通過Minicom進(jìn)行程序調(diào)試［9］。軟件設(shè)計(jì)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(dòng)后，先對模塊各部件進(jìn)行初始化，啟動(dòng)定時(shí)器，將GPRS模塊接入移動(dòng)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(shí)間間隔，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的時(shí)間就向監(jiān)測中心發(fā)送，主要流程如圖6所示。

　　為了對本系統(tǒng)的測量結(jié)果進(jìn)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(jìn)行反復(fù)測試，選取5次測量結(jié)果如表2所示。

    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(jìn)行測試，結(jié)果如表3所示。

　　結(jié)果顯示在汽車啟動(dòng)時(shí)會(huì)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(shí)，第二次和第五次測試時(shí)系統(tǒng)都及時(shí)發(fā)出了警報(bào)，說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tái)，實(shí)現(xiàn)對空氣中CO濃度數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與傳輸。系統(tǒng)可對空氣中CO濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)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(diǎn)。系統(tǒng)監(jiān)測穩(wěn)定、實(shí)時(shí)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(jìn)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(jià)值。

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