摘  要： 工礦企業(yè)或市政施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)人員因作業(yè)環(huán)境中毒害氣體超標(biāo)導(dǎo)致中毒或窒息引起傷亡事件時(shí)有發(fā)生。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警作業(yè)環(huán)境中的毒害氣體并及時(shí)反饋給作業(yè)人員和現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種用于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)危害氣體的智能預(yù)警穿戴系統(tǒng)。首先給出該系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，再進(jìn)行硬件和軟件子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中硬件部分包括系統(tǒng)主控平臺(tái)和電化學(xué)氣體（ECG）傳感模塊，軟件部分包括系統(tǒng)主控平臺(tái)程序和安卓平臺(tái)。本系統(tǒng)具有體積小、攜帶方便、成本低、檢測(cè)氣體種類靈活可變等特點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)環(huán)境中的氣體濃度值并及時(shí)告警，從而保障作業(yè)人員的人身安全。

　　關(guān)鍵詞： 危害氣體；電化學(xué)氣體傳感器；智能預(yù)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(xué)物品被廣泛應(yīng)用?；饒?chǎng)及其他災(zāi)難事故中常產(chǎn)生NH3、CO、CO2、SO2、H2S等氣體，這些氣體大部分毒性很強(qiáng)或有害，如果不采取防范措施，就會(huì)有生命危險(xiǎn)。工業(yè)事故使大量危害氣體泄露，這對(duì)工作在這種環(huán)境中的作業(yè)人員是一個(gè)很大的考驗(yàn)。

　　筆者對(duì)近2年內(nèi)工人因毒氣泄露中毒的新聞報(bào)道進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)整理，并統(tǒng)計(jì)出危害氣體導(dǎo)致作業(yè)人員中毒的數(shù)目，從中發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)毒氣泄露造成現(xiàn)場(chǎng)工作人員死傷的報(bào)道逐年增加。所以保護(hù)作業(yè)時(shí)人員的安全，營(yíng)造安全的工作環(huán)境刻不容緩。

1 系統(tǒng)架構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

　　本文介紹了一種毒害氣體預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)毒害氣體濃度，并將濃度值反饋到手機(jī)中。本文以CO為例，介紹毒害氣體預(yù)警系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)。

　　圖1是系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。系統(tǒng)由上位機(jī)、無(wú)線路由（AP）和氣體預(yù)警單元組成。上位機(jī)和氣體預(yù)警單元通過(guò)AP連接，氣體預(yù)警單元將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)中，手機(jī)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，設(shè)置危害氣體的告警閾值和綁定作業(yè)人員的信息。同時(shí)，氣體預(yù)警單元也可以直接進(jìn)行本地的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)的告警[1-2]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 硬件子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)分為兩大部分：系統(tǒng)主控平臺(tái)和電化學(xué)氣體（ECG）傳感模塊，其框架如圖2所示。其中系統(tǒng)主控平臺(tái)包括電源管理模塊、微控制器和短距無(wú)線通信模塊；ECG傳感模塊則可以根據(jù)實(shí)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(zhuǎn)換為電流信號(hào)，AFE模塊將該信號(hào)放大并轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)輸出，A/D模塊將AFE輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為15位的數(shù)字信號(hào)。參考電壓電路為AFE模塊提供一個(gè)較為精準(zhǔn)的2.5 V電壓，在進(jìn)行氣體濃度計(jì)算時(shí)確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

　　系統(tǒng)主控平臺(tái)和ECG傳感器模塊之間通過(guò)I2C進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、AFE和AD寄存器的配置等。系統(tǒng)主控平臺(tái)中的微控制器將傳入的15位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)氣體的濃度值，通過(guò)SPI總線控制短距無(wú)線通信模塊，以一定的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送至移動(dòng)終端。

　　2.2 系統(tǒng)主控平臺(tái)

　?。?）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(chǔ)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。

　　（3）短距無(wú)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(lái)進(jìn)行信號(hào)的預(yù)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(guò)CE/RE/WE 3線連接；想要選中某一塊LMP91000時(shí)，微控制器對(duì)LMP91000進(jìn)行使能，需要將MENB引腳拉低，再通過(guò)芯片的I2C地址來(lái)進(jìn)行芯片的配置。

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

　?。?）參考電壓：為了保證A/D轉(zhuǎn)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。

　?。?）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(jià)格低、功耗小、測(cè)量范圍廣的特點(diǎn)。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(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)主控平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

　　圖4所示為系統(tǒng)主控平臺(tái)程序流程圖。首先設(shè)置時(shí)鐘頻率，初始化GPIO口、I2C和SPI總線。通過(guò)SPI初始化CC3000模塊，并連接到AP。通過(guò)I2C對(duì)ECG傳感器模塊上的LMP91000和ADS1110控制字寄存器進(jìn)行配置，為ECG傳感器信號(hào)放大和ADC做準(zhǔn)備。ECG進(jìn)行預(yù)熱，一般來(lái)說(shuō)CO ECG傳感器預(yù)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(zhuǎn)再配置ADS1110。最后讀取ADS1110中的15位轉(zhuǎn)換值，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的氣體濃度，通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送到手機(jī)終端，間隔30 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)幀[4]。

　　3.2 安卓平臺(tái)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

　　安卓平臺(tái)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面和設(shè)置界面。

　?。?）主界面：開啟TCP服務(wù)器，等待多個(gè)毒害氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備連接（最多同時(shí)支持5個(gè)設(shè)備），選擇設(shè)備號(hào)查看實(shí)時(shí)CO的濃度，同時(shí)可以跳轉(zhuǎn)進(jìn)入設(shè)置界面。

　?。?）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面：可以查看設(shè)備、使用者信息、工號(hào)等信息，顯示CO的實(shí)時(shí)濃度值，并與設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)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。

　　（3）設(shè)置界面：可以設(shè)置CO的閾值，綁定設(shè)備號(hào)、使用者姓名和工號(hào)等信息[5]。

4 實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

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

　　4.1 系統(tǒng)測(cè)試方案設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)環(huán)境：將已連接AP（TL-WR740N）的系統(tǒng)主控平臺(tái)放入一個(gè)密閉的玻璃器皿中，并用蘸有酒精的醫(yī)用棉點(diǎn)燃并放入其中，以此來(lái)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(gè)縫隙，讓空氣擴(kuò)散進(jìn)入，等待一段時(shí)間，最后將密閉容器移除，CO的濃度將逐漸降到0 PPM。

　　4.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)刻開始，系統(tǒng)主控平臺(tái)剛放入密閉的器皿中，所以CO濃度為0 PPM；在60 s的時(shí)刻，醫(yī)用棉點(diǎn)燃，過(guò)了3 s因缺氧而熄滅，CO濃度迅速增加；在120 s的時(shí)刻，CO濃度達(dá)到最大值；從150 s的時(shí)刻開始，空氣擴(kuò)散進(jìn)入器皿，CO濃度緩慢降低，直到600 s的時(shí)刻還有一定濃度的CO；在750 s的時(shí)刻，密閉容器全部移除，系統(tǒng)主控平臺(tái)暴露在空氣中，CO濃度迅速下降；到780 s的時(shí)刻，CO濃度又恢復(fù)為0 PPM。

5 結(jié)論

　　本文介紹了一種用于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)危害氣體的智能預(yù)警穿戴系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)儀多為固定設(shè)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(cè)氣體種類靈活可變等特點(diǎn)。本文驗(yàn)證了CO ECG傳感器能實(shí)時(shí)檢測(cè)變化的CO濃度并轉(zhuǎn)換為PPM值，并傳到安卓平臺(tái)，而給CO濃度值做標(biāo)定是下一步的工作。

參考文獻(xiàn)

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