有害氣體無(wú)線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

導(dǎo)語(yǔ)：有害氣體無(wú)線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：此系統(tǒng)旨在降低歷年火災(zāi)發(fā)生率，避免有害氣體泄漏。系統(tǒng)使用STM32作為主控制模塊控制氣體探測(cè)電路。氣體探測(cè)電路可驅(qū)動(dòng)氣體探測(cè)模塊，采集需要的氣體濃度數(shù)據(jù)，根據(jù)不同種類(lèi)的氣體探測(cè)頭采集不同種類(lèi)的氣體，如CO、CO2等。可通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并在LCD屏上顯示，以便于查看。將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa無(wú)線模塊傳送至上機(jī)位，實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)。因?yàn)?zāi)情中氣體多以CO為主，故系統(tǒng)選用的氣體探測(cè)頭傳感器為CO-AX傳感器，可從源頭發(fā)出警示，有效避免氣體中毒事件的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；STM32；氣體探測(cè)；CO-AX傳感器；AD7790；LoRa

近年來(lái)，人們生活水平日益提高，人身保護(hù)和財(cái)產(chǎn)保護(hù)成為人們主要的關(guān)注點(diǎn)。在多種自然災(zāi)害中，火災(zāi)對(duì)于群眾的人身安全、財(cái)產(chǎn)安全最具殺傷力。火災(zāi)發(fā)生的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多有害氣體，這些有害氣體在空氣中的含量超出一定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)就會(huì)對(duì)人體健康造成傷害[1-2]。目前市面上大多為有線攜帶式氣體檢測(cè)儀，需要親臨現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行氣體檢測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中氣體的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)具有無(wú)線氣體探測(cè)功能和便攜等優(yōu)點(diǎn)，將STM32、EVAL-CN0357氣體探測(cè)電路以及長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸技術(shù)（LongRange,LoRa）相結(jié)合，利用電化學(xué)傳感器單電源、低噪音、便攜等優(yōu)勢(shì)，將檢測(cè)電路檢測(cè)出的特定氣體信息通過(guò)無(wú)線通信LoRa模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程發(fā)送。本系統(tǒng)使用Alphasense公司出品的CO-AX傳感器實(shí)現(xiàn)CO探測(cè)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括氣體傳感器、無(wú)線發(fā)送LoRa模塊、前端放大電路、ADC讀取數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、MCU和LCD顯示屏。使用CO-AX傳感器測(cè)量CO氣體濃度，此傳感器最大響應(yīng)為100nA/ppm，最大輸入為2000ppm。所用AD7790芯片為16位，具有精度高、單電源、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。將CO-AX傳感器與MCU連接，可將CO濃度數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上，并通過(guò)LoRa模塊發(fā)送到上機(jī)位。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括CN0357氣體探測(cè)電路、CO傳感器模塊、無(wú)線通信模塊。利用電化學(xué)傳感器對(duì)輸出高低電平和0X38波形進(jìn)行采集，通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換公式得到數(shù)據(jù)后由SPI通道回傳，并在LCD屏上顯示，最終通過(guò)LoRa模塊傳輸至數(shù)據(jù)管理端。

2.1硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的電化學(xué)氣體傳感測(cè)量電路檢測(cè)空氣中的CO濃度，然后經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片將信息傳回AD7790芯片，STM32F103X通過(guò)SPI接收后將數(shù)據(jù)顯示到LCD屏上，最后通過(guò)無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)傳至PC端[3]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2系統(tǒng)電路

2.2.1電化學(xué)傳感器測(cè)量電路在電化學(xué)傳感器測(cè)量電路中，通過(guò)CO-AX檢測(cè)頭檢測(cè)對(duì)應(yīng)氣體的濃度，通過(guò)1管腳和2管腳傳送電流信號(hào)，其中1管腳由CE流向ADA4528，2管腳流入WE，回傳到ADA4528的3管腳后再傳到放大器和AD7790，最后通過(guò)CO濃度與電壓轉(zhuǎn)換公式得到數(shù)據(jù)。電化學(xué)傳感器測(cè)量電路如圖2所示。2.2.2AD7790及應(yīng)用AD7790是一款適合低頻測(cè)量的低功耗、完整模擬前端[4-5]，內(nèi)置一個(gè)低噪聲16位Σ-Δ型ADC，一路差分輸入可配置為緩沖或無(wú)緩沖模式，此外還有一個(gè)增益可設(shè)置為1、2、4或8的數(shù)字PGA。從放大器ADA4528傳入的電壓信號(hào)通過(guò)3管腳進(jìn)入AD7790。采集數(shù)據(jù)并處理后，信號(hào)由9管腳輸出。AD7790驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。2.2.3LCD電路LCD顯示屏通過(guò)在.C文件中引用聲明函數(shù)顯示所需的字、字符以及字符串，主要運(yùn)用CS、CLK、MOSI和MISO通過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)序實(shí)現(xiàn)[6]，LCD電路如圖4所示。2.2.4有源蜂鳴器蜂鳴器是電子信息傳遞裝置，采用3.3V直流電壓供電。電磁式有源蜂鳴器自帶振蕩電路，初始化后，拉低管腳的電平，蜂鳴器發(fā)出聲響，反之蜂鳴器無(wú)反應(yīng)。STM32蜂鳴器電路如圖5所示。

2.3無(wú)線通信

LoRa模塊SX1278本設(shè)計(jì)使用Semetch公司出品的SX1278作為無(wú)線通信的載體，選用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)透?jìng)髂Ｊ健oRa工作于半雙工模式，單片機(jī)端為發(fā)送端，PC端為接收端，利用USART發(fā)送AT命令進(jìn)行設(shè)置，電腦端可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置。LoRa上電默認(rèn)為透?jìng)髂Ｊ剑瑢纹瑱C(jī)端和電腦端的LoRa設(shè)置成相同的參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信[7]。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要包括系統(tǒng)模塊初始化、ADC讀取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、LCD顯示、蜂鳴器報(bào)警和LoRa發(fā)送數(shù)據(jù)。軟件流程如圖6所示。

4結(jié)果

STM32讀取AD7790從CO感應(yīng)頭收集的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際值后在LCD上顯示（當(dāng)超過(guò)設(shè)置的閾值時(shí)，蜂鳴器鳴響），通過(guò)LoRa將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，用戶可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

5結(jié)語(yǔ)

本文以有害氣體無(wú)線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)為研究目標(biāo)，使用STM32作為主控模塊，利用AD7790芯片完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化與傳輸。通過(guò)LoRa模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體濃度的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并使用蜂鳴器在氣體濃度超出閾值時(shí)報(bào)警。系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)CO濃度的監(jiān)測(cè)效果良好，能夠有效保證室內(nèi)人員的人身財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

[1]張鵬程，應(yīng)斌鋮，王金怡，等.基于STM32的一氧化碳檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].科技資訊，2018，16（15）：43-44.

[2]陳素琴.物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2011.

[3]王聰玲，許婧婷，高軍，等.基于RFID與LoRa技術(shù)的耐力素質(zhì)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2020，43（19）：138-141.

[4]趙靜，蘇光添.LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析[J].移動(dòng)通信，2016，40（20）：50-57.

[5]崔國(guó)強(qiáng)，詹寧，羅德雨，等.基于STM32和AD7791實(shí)現(xiàn)電子秤設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶，2020，27（2）：5-8.

[6]郭書(shū)軍.ARMCortex-M3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-STM32基礎(chǔ)篇[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018：21-45.

[7]田香，郭書(shū)軍.賽艇船槳力學(xué)建模分析與測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表用戶，2019，26（9）：13-16.

[8]李彤，張子文.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下化工易燃檢測(cè)[J].天津化工，2019，33（4）：35-38.

[9]蔡青松，林佳，夏晨益，等.面向異構(gòu)IoT業(yè)務(wù)的LoRa網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)參數(shù)配置策略[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2020，29（11）：1-10.

[10]馬振興，李寧，霍大勇，等.基于單片機(jī)的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)器的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2020，42（10）：119-121.

作者：王靖懿 崔國(guó)強(qiáng) 韓東奇 李響 王英澤 單位：北方工業(yè)大學(xué)