費(fèi)勤天1,禹素萍1,2,張亞冰1,范紅1
?。?.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201620;2.教育部數(shù)字化紡織服裝技術(shù)工程研究中心,上海 201620)
摘要:煤礦或各類工廠生產(chǎn)車間現(xiàn)場(chǎng)因作業(yè)環(huán)境中粉塵濃度超標(biāo)導(dǎo)致爆炸事故引起傷亡事件時(shí)有發(fā)生。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警作業(yè)環(huán)境中的粉塵濃度并及時(shí)反饋給作業(yè)人員和管理負(fù)責(zé)人,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種便攜式的粉塵監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。首先給出該系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,再分別進(jìn)行硬件和軟件子系統(tǒng)設(shè)計(jì),其中硬件部分包括粉塵傳感模塊和系統(tǒng)主控平臺(tái),軟件部分包括系統(tǒng)主控平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序和用戶平臺(tái)應(yīng)用程序。該系統(tǒng)具有體積小、攜帶方便、人機(jī)界面友好、成本低等特點(diǎn),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度值并及時(shí)告警,從而確保人身安全,減少粉塵危害。
關(guān)鍵詞:粉塵爆炸;粉塵傳感器;智能預(yù)警;便攜裝置
0引言
在生活和工作中,生產(chǎn)性粉塵是人類健康的天敵,是誘發(fā)多種疾病的主要原因之一,特別是煤礦粉塵,一方面嚴(yán)重危害工人的身體健康,致使工人患?jí)m肺?。涣硪环矫娣蹓m濃度過(guò)高潛伏著爆炸的危險(xiǎn)。每年因?yàn)榉蹓m災(zāi)害而造成的人員傷亡數(shù)量極大,也給國(guó)家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。比如2014年8月2日,位于昆山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的昆山中榮金屬制品有限公司拋光二車間發(fā)生特別重大鋁粉塵爆炸事故,當(dāng)天造成75人死亡、185人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失3.51億元;還有2015年6月28日的臺(tái)灣音樂(lè)節(jié)玉米粉爆炸事件,都是粉塵濃度超出爆炸極限導(dǎo)致的。
因此,以氣體與粉塵爆炸事故狀況及影響因素的分析為基礎(chǔ),研究各種防止氣體與粉塵爆炸發(fā)生的措施,及時(shí)有效地對(duì)作業(yè)場(chǎng)所的粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè),以更好地掌握粉塵濃度狀況,進(jìn)行有效的除塵和降塵,可以為這些物質(zhì)的安全生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)用提供重要的依據(jù),對(duì)確保人身安全和提高環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮著極其重要的作用。而便攜式粉塵預(yù)警裝置能夠彌補(bǔ)固定式設(shè)備的不足,如監(jiān)測(cè)空間分辨率、時(shí)間分辨率等[1]。
1系統(tǒng)架構(gòu)分析與設(shè)計(jì)
本文介紹了一種針對(duì)粉塵濃度的監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的粉塵濃度,并將濃度值反饋到用戶終端,如Android手機(jī)中。該系統(tǒng)架構(gòu)由硬件和軟件兩部分組成。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AP和粉塵預(yù)警單元組成。上位機(jī)與粉塵預(yù)警單元之間通過(guò)無(wú)線設(shè)備連接,粉塵預(yù)警單元將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶的移動(dòng)終端中,顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),設(shè)置危險(xiǎn)濃度的告警閾值以及綁定作業(yè)人員的信息,并且上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信[23]。
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,即粉塵傳感模塊和系統(tǒng)主控平臺(tái),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、微控制器和串口通信模塊;粉塵傳感模塊則包括參考電壓接口、電壓模擬量輸出以及一個(gè)控制輸出引腳。
粉塵傳感模塊中的粉塵傳感器將采集到的粉塵濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào),內(nèi)置A/D模塊將該信號(hào)放大并轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷耗M信號(hào)輸出,控制芯片將輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?5位的數(shù)字信號(hào)。參考電壓電路為傳感模塊提供一個(gè)較為穩(wěn)定的2.5 V~5.5 V電壓,以確保粉塵濃度數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確。
系統(tǒng)主控平臺(tái)與粉塵傳感模塊之間通過(guò)通用I/O端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和寄存器的配置等。系統(tǒng)主控平臺(tái)中的微控制器將傳感器輸入的15位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的粉塵濃度數(shù)值,通過(guò)串口模塊USART2,以一定的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送至測(cè)試平臺(tái)顯示出來(lái)。
2.2粉塵傳感模塊
本模塊是以夏普公司的GP2Y1010AU0F為核心的粉塵傳感器。該傳感器有效量程為500 μg/m3,能測(cè)量出直徑大于等于0.8 μm的粉塵顆粒,靈敏度為0.5 V/(100 μg/m3),且工作時(shí)功耗較低,在一個(gè)采樣周期內(nèi),最大電流不超過(guò)20 mA。傳感器內(nèi)部的紅外二極管可以輸出一個(gè)與粉塵濃度呈線性關(guān)系的電壓值,通過(guò)該電壓值即可計(jì)算出空氣中的粉塵含量。
?。?)參考電壓:為了保證數(shù)據(jù)精度,傳感器內(nèi)置升壓電路,其電壓工作范圍為2.5 V~5.5 V。一般外接3.3 V的參考電壓。
(2)電壓模擬量輸出:傳感器輸出電壓與粉塵濃度關(guān)系在0~0.5 mg/m3范圍內(nèi)呈線性關(guān)系,內(nèi)部設(shè)置衰減電路,最大輸出電壓不超過(guò)1.5 V。
?。?)傳感器控制原理:通過(guò)設(shè)置模塊ILED引腳為高電平,從而打開(kāi)傳感器內(nèi)部紅外二極管。等待0.28 ms,外部控制器采樣模塊AOUT引腳的電壓值。這是因?yàn)閭鞲衅鲀?nèi)部紅外二極管在開(kāi)啟0.28 ms之后,輸出波形才達(dá)到穩(wěn)定,如圖3所示。采樣持續(xù)0.04 ms之后,再設(shè)置ILED引腳為低電平,從而關(guān)閉內(nèi)部紅外二極管。根據(jù)電壓與濃度關(guān)系即可計(jì)算出當(dāng)前空氣中的粉塵濃度。
2.3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 V~5.5 V的輸入電壓穩(wěn)定輸出為3.3 V。
?。?)微控制器:采用STMicroelectronics公司的Open407Z-C開(kāi)發(fā)平臺(tái)(主控芯片STM32F407Z),具有功耗低、擴(kuò)展性好等特點(diǎn),并支持硬件I2C和SPI總線等。微控制器與粉塵傳感模塊通信使用其通用I/O端口(GPI/O)。其中,粉塵傳感模塊的AOUT引腳與GPIOA.6相連;ILED引腳與GPIOA.7相連。
(3)串口通信:系統(tǒng)主控平臺(tái)集成了串口模塊的USART2端口,用于與串口通信測(cè)試平臺(tái)連接。還可通過(guò)無(wú)線通信協(xié)議連接至移動(dòng)終端。
3軟件子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)主控平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
圖4所示為系統(tǒng)主控平臺(tái)程序流程圖。首先安裝STLink/v2仿真器驅(qū)動(dòng)以及USB轉(zhuǎn)換TTL串口驅(qū)動(dòng),然后設(shè)置時(shí)鐘頻率,并初始化GPI/O口、串口模塊。通過(guò)USART2串口對(duì)粉塵傳感模塊上的AOUT和ILED控制字寄存器進(jìn)行配置,為粉塵傳感器模擬電壓信號(hào)放大和ADC做準(zhǔn)備。對(duì)粉塵傳感器進(jìn)行預(yù)熱,準(zhǔn)備就緒后判斷AOUT中的配置字與之前寫(xiě)入的是否一致,一致則繼續(xù),否則跳轉(zhuǎn)再配置。最后讀取AOUT中的15位轉(zhuǎn)換值,轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的粉塵濃度值,通過(guò)預(yù)設(shè)的串口發(fā)送到測(cè)試終端,間隔30 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)幀。
3.2用戶平臺(tái)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
以Android操作系統(tǒng)的手機(jī)用戶為例,Android編程使用Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,所開(kāi)發(fā)的用戶界面包括登錄界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面和設(shè)置界面。用戶登錄后,可以查看設(shè)備、個(gè)人信息,查看實(shí)時(shí)顯示的粉塵濃度值,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,即直觀地顯示粉塵濃度是否正常,正常濃度值顯示為綠色(正常),臨界值顯示為橙色(預(yù)警),警告值顯示為紅色(告警)[45]。
4實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證測(cè)試
圖5是系統(tǒng)硬件的實(shí)物圖。其中,圖5(a)是系統(tǒng)主控平臺(tái)與測(cè)試平臺(tái)的串口連接部分(包含STLink/v2仿真器驅(qū)動(dòng)端),圖5(b)是粉塵傳感模塊與系統(tǒng)主控平臺(tái)的連接部分。其中,①是粉塵傳感模塊(Dust Sensor),②是微控制器(STM32F407Z),③是串口模塊端口(USART2),④是仿真器(STLink/v2)。
4.1系統(tǒng)測(cè)試方案設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)了如下系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境,首先編譯下載系統(tǒng)主控平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序,然后通過(guò)串口模塊把主控平臺(tái)USART2接口連接至測(cè)試終端,將串口調(diào)試助手設(shè)置為:(1)波特率:115 200 b/s;(2)數(shù)據(jù)位:8 bit;(3)停止位:1 bit;(4)校驗(yàn)位:None;(5)流控制:None。
粉塵傳感模塊與系統(tǒng)主控平臺(tái)相連后,系統(tǒng)上電。在一定時(shí)間間隔內(nèi),串口調(diào)試窗口將不斷顯示當(dāng)前粉塵濃度值。
4.2系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析
簡(jiǎn)單給定兩種運(yùn)行環(huán)境,即普通室內(nèi)環(huán)境和特殊測(cè)試環(huán)境。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,測(cè)試平臺(tái)不斷顯示出實(shí)時(shí)的粉塵濃度值。圖6是在室內(nèi)環(huán)境的測(cè)試數(shù)據(jù);圖7是測(cè)試環(huán)境(人為制造灰塵)下的測(cè)試數(shù)據(jù)??梢钥吹?,室內(nèi)環(huán)境的粉塵濃度數(shù)值穩(wěn)定在250 μg/m3~270 μg/m3之間,而在用于對(duì)照觀察的測(cè)試環(huán)境下的粉塵濃度數(shù)值逐漸增大,且響應(yīng)時(shí)間短,符合試驗(yàn)預(yù)期。經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證,系統(tǒng)運(yùn)行正常。
5結(jié)論
本文介紹了一種用于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度的便攜式智能預(yù)警系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。市場(chǎng)上傳統(tǒng)的粉塵檢測(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)人員的工作效率。與之相比,本系統(tǒng)的硬件擴(kuò)展性好、便于移植;而軟件部分在與Android操作系統(tǒng)結(jié)合后,天然地具有攜帶方便、便于記錄通信等特點(diǎn)。本文驗(yàn)證了粉塵傳感器能實(shí)時(shí)檢測(cè)變化的粉塵濃度并轉(zhuǎn)換為電壓值,發(fā)送到移動(dòng)終端平臺(tái),而給粉塵濃度值做標(biāo)定是下一步的工作。
參考文獻(xiàn)
?。?] 王自亮.粉塵濃度傳感器的研制和應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2006,32(4):2427.
?。?] Li Haitao,Mu Xiaoyi,Wang Zhe,et al. Wearable autonomous microsystem with electrochemical gas sensor array for realtime health and safety monitoring [C].Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,2012:503506.
[3] RADU T,F(xiàn)AY C,LAU K T,et al. Wearable sensing applicationcarbon dioxide monitoring for emergency personnel using wearable sensors[C]. International Conference on Environmental Systems Engineering,ICESE 2009,2009:2830.
?。?] 公磊,周聰.基于Android的移動(dòng)終端應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)與研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2008,18(8):8689.
?。?] 姚昱旻,劉衛(wèi)國(guó).Android的架構(gòu)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2008,17(11):110118.