張文滔，王 釗，黃 銳，盧 仕，胡永明

(湖北大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院 鐵電壓電材料與器件湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430062)

0 引言

氫氣是一種燃燒效率高、產(chǎn)物無(wú)污染的清潔能源，在化工、航天以及軍事等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。氫氣分子較小，擴(kuò)散性極強(qiáng)，比其他液體燃料和氣體更易滲透，從設(shè)備中泄露出來(lái)。由于氫氣燃燒范圍寬、著火點(diǎn)低，當(dāng)氧氣中含氫5%～95%或空氣中含氫4.1%～74.2%時(shí)，遇明火會(huì)發(fā)生爆炸。因此，氫氣的泄露直接威脅著我們的人身安全，在產(chǎn)氫、儲(chǔ)氫和用氫等相關(guān)領(lǐng)域中，應(yīng)特別注意氫氣的防火防爆[1]。

氫氣本身無(wú)色無(wú)味，泄漏時(shí)人的視覺和嗅覺無(wú)法分辨出來(lái)，使用過程中必須利用氫氣傳感器對(duì)環(huán)境中氫氣的含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然而，目前大多數(shù)氫氣檢測(cè)裝置仍在使用高價(jià)格的進(jìn)口電化學(xué)傳感器作為探頭。這類傳感器使用壽命短，成本高且易損耗，不利于進(jìn)行低成本傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)，極大的制約了氫氣傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。

半導(dǎo)體氫氣傳感器具有靈敏度高、成本低廉且使用壽命長(zhǎng)等系列優(yōu)點(diǎn)，是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊活悮錃鈧鞲衅骷?。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體氫氣傳感器需在較高溫度下(200～300℃)工作，器件功耗較高。利用高比表面積的低溫半導(dǎo)體納米材料，如納米線、納米帶等，取代傳統(tǒng)的塊體材料，組建室溫工作的高性能半導(dǎo)體傳感器，能夠有效降低傳感節(jié)點(diǎn)的功耗，促進(jìn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。

在即將到來(lái)的人工智能時(shí)代，基于物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換和通信的物物相連模式已成為一種必然趨勢(shì)。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)的火熱帶動(dòng)了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，促使多跳式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)更為普及，其將引起信息采集和環(huán)境感知的一場(chǎng)革命[2]。在眾多的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中，與其他無(wú)線通信技術(shù)相比，WiFi在傳輸速率和傳輸距離上存在明顯優(yōu)勢(shì)，其傳輸速率高達(dá)54Mb/S，傳輸距離在0-100 m，且穩(wěn)定性能更好。因此，本文在組建半導(dǎo)體納米線基室溫氫氣傳感器的基礎(chǔ)上，基于WiFi技術(shù)設(shè)計(jì)并制作了基于半導(dǎo)體氫氣傳感器的傳感網(wǎng)絡(luò)，并基于Labview軟件平臺(tái)構(gòu)建了一套以高校用氫實(shí)驗(yàn)室為使用環(huán)境的無(wú)線氫氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及工作原理

該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分：9個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器和上位機(jī)。以9個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)采集和感知環(huán)境中信息如氫氣濃度、溫濕度，路由器組網(wǎng)搭建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)信息處理分析和監(jiān)控。

系統(tǒng)的工作原理是：以路由器為AP接入點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)局域網(wǎng)，局域網(wǎng)內(nèi)的這9個(gè)節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)分別連接上路由器的WiFi，路由器會(huì)給每個(gè)節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)分配一個(gè)IP地址，以傳感器節(jié)點(diǎn)為客戶端上位機(jī)為服務(wù)器，令這9個(gè)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的IP地址相連，先將節(jié)點(diǎn)采集到的氫氣濃度和溫濕度匯總到路由器端，然后發(fā)送到上位機(jī)上，這樣在無(wú)人值守狀態(tài)下，可通過上位機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控。節(jié)點(diǎn)上的顯示屏實(shí)時(shí)讀取測(cè)量到的數(shù)據(jù)，使得信息的獲取更為直觀化，并在氫氣濃度超過設(shè)定閾值后觸發(fā)節(jié)點(diǎn)上的報(bào)警系統(tǒng)發(fā)生聲光報(bào)警，以便實(shí)驗(yàn)室管理人員及時(shí)得知并處理，消除實(shí)驗(yàn)室安全隱患。該系統(tǒng)組網(wǎng)模式也可以通過WiFi自組網(wǎng)，將路由器替換掉，如Zigbee自組網(wǎng)模式一樣。其方法為設(shè)置WiFi模塊為AP模式，作為一個(gè)AP接入點(diǎn)，覆蓋整個(gè)局域網(wǎng)，讓節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)來(lái)連接，但這加大了組網(wǎng)的復(fù)雜度，增加了傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)建設(shè)的成本，也容易造成路由癱瘓的現(xiàn)象，而且相對(duì)于Zigbee不需要協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，這種多跳式非自組網(wǎng)模式更為簡(jiǎn)單[3]。

1.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要由氫氣傳感器、主控制器、溫濕度傳感器、OLED液晶、報(bào)警系統(tǒng)、WiFi模塊及電源等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

傳感節(jié)點(diǎn)的主控器采用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103VCT6，STM32F103基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核，Cortex-M3旨在設(shè)計(jì)體積小、低成本、低功耗、高性能等嚴(yán)格要求的嵌入式處理器。采用Cortex-M3內(nèi)核的32位精簡(jiǎn)指令集RISC處理器，較之8位和16位的處理器具有更強(qiáng)的專用性，提供了更高的代碼效率，最高可達(dá)72 MHz的工作頻率。STM32體積小，片內(nèi)資源豐富，16 K到512 K的Flash容量，最大64 K字節(jié)的SRAM，有睡眠、停機(jī)和待機(jī)等低功耗模式。

本文氫氣傳感器采用的是課題組研制的一種基于MoO3納米帶/石墨烯復(fù)合材料的室溫氫氫氣敏感元件[4]。該敏感元件所制成的氫氣傳感器在室溫下具有快速響應(yīng)和高靈敏度的優(yōu)異特性，在低濃度1000 ppm氫氣濃度的大氣環(huán)境中其響應(yīng)時(shí)間僅為10.6 s，靈敏度達(dá)95%。以這種室溫半導(dǎo)體氫氣敏感元件所制成的傳感器探頭，具有低功耗、體積小和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能有效降低傳感器節(jié)點(diǎn)功耗和減少氫氣檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)成本[5]。

氫氣傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換基于STM32內(nèi)置的12位ADC采樣，轉(zhuǎn)換速率達(dá)1 MHz不需要外置A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜度。AD轉(zhuǎn)換電路電路中給傳感器串聯(lián)一個(gè)匹配電阻RL(這個(gè)電阻是可選的，根據(jù)傳感器響應(yīng)特性選一個(gè)最佳的)，組成一條回路，給回路加上總電壓VCC3.3再根據(jù)采集到的傳感器電壓V換算得到其電阻和對(duì)應(yīng)氫氣濃度。傳感器電阻(Rs)的計(jì)算公式為：

(1)

氫氣傳感器響應(yīng)特性受環(huán)境溫度的影響，溫度的變化會(huì)影響傳感器電阻值的大小，使得在不同溫度下的傳感器對(duì)氫氣濃度的檢測(cè)與實(shí)際值存在誤差。在以往的研究中，有的在電路回路中加上熱敏元件來(lái)抵消溫度帶來(lái)的影響以達(dá)到溫度平衡條件，也有的是通過傳感器內(nèi)部加熱電阻來(lái)控制溫度等一些，但這些方法都存在電路復(fù)雜，精度低，穩(wěn)定性差等原因[6]。本文中采用溫濕度傳感器采集周圍環(huán)境溫濕度，并結(jié)合氫氣濃度與溫度響應(yīng)關(guān)系對(duì)所測(cè)氫氣濃度值進(jìn)行軟件濾波算法校準(zhǔn)得到的氫氣濃度值。傳感器所處的實(shí)驗(yàn)室室溫基本在區(qū)間0-40℃之間而且其浮動(dòng)不大，采集取區(qū)間內(nèi)不同溫度系數(shù)氫氣濃度值樣本數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際值進(jìn)行建模得到對(duì)應(yīng)關(guān)系。

為進(jìn)一步降低傳感器節(jié)點(diǎn)功耗采用OLED顯示屏，OLED利用有機(jī)電致發(fā)光二極管制成，不同于LCD與LED液晶屏其不需要背光源，具有自發(fā)光的特點(diǎn)，不管是在色彩度、亮度、響應(yīng)速度還是功耗等方面都要優(yōu)于LCD和LED，被認(rèn)為是下一代的平面顯示器新興應(yīng)用技術(shù)。各節(jié)點(diǎn)OLED實(shí)時(shí)顯示所測(cè)得氫氣濃度。氫氣濃度報(bào)警模塊用于氫氣濃度的閾值報(bào)警，當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍的氫氣濃度超過所設(shè)定的閾值的時(shí)候，主控制器啟動(dòng)聲光報(bào)警。

供電單元最終采用3.7 V鋰離子電池，ADC采樣回路兩端總電壓與控制器相同都為3.3 V，直接將3.7 V電壓來(lái)加給回路會(huì)導(dǎo)致隨著電池電量消耗電壓減小，影響最終測(cè)得氫氣濃度值，在電路中增加AMS11117穩(wěn)壓電路，利用輸出3.3 V電壓AD采樣，以達(dá)到穩(wěn)壓濾波的作用。

1.2.2 無(wú)線WIFI模塊

為降低成本采用WiFi的組網(wǎng)方式，且WiFi傳輸速率快，傳輸有效距離長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)。以無(wú)線終端與無(wú)線接入點(diǎn)的模式設(shè)計(jì)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在AP無(wú)線接入點(diǎn)覆蓋的區(qū)域內(nèi)所有終端使用相同的頻率互聯(lián)通信[7]。WIFI模塊采用的基于ESP8266芯片的ESP-07，ESP8266是一款工作在2.4 G頻段的超低功耗UART-WIFI透?jìng)髂K，其專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，支持802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，支持STA、AP及STA+AP三種工作模式，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，豐富的Socket AT指令縮短了開發(fā)周期。在眾多的無(wú)線通信模塊中具有成本低，封裝尺寸小等特性，將用戶物理設(shè)備連接到WIFI網(wǎng)絡(luò)上后可進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信。

傳感器節(jié)點(diǎn)ESP8266設(shè)置工作模式為Station模式，該模式下既可配置節(jié)點(diǎn)為客戶端也能為服務(wù)器，由于是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)到上位機(jī)的傳遞，基于這樣TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，配置節(jié)點(diǎn)為客戶端，PC機(jī)為服務(wù)器。節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)連接同一個(gè)路由器即處于同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，通過節(jié)點(diǎn)連接上位機(jī)IP，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從客戶端到服務(wù)器的的傳輸。用串口透?jìng)鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸?shù)目煽啃院?，最大的傳輸率?60800bps。節(jié)點(diǎn)外接IPX接口的天線，增強(qiáng)多節(jié)點(diǎn)共聯(lián)下信號(hào)抗干擾能力。實(shí)際應(yīng)用中，由于節(jié)點(diǎn)無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間工作，可通設(shè)置閑時(shí)休眠的工作模式，最大化延長(zhǎng)電池的續(xù)航能力。本文中ESP8266的Deep-sleep模式應(yīng)用于低功耗的氫氣傳感器。在軟件中設(shè)置讓傳感器節(jié)點(diǎn)每隔段時(shí)間從Deep-sleep狀態(tài)醒來(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)并發(fā)送出去，間隔時(shí)間之后節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)入Deep-sleep。在Deep-sleep睡眠模式下模塊電流僅10uA，喚醒時(shí)間不超過3 ms。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)主要包括氫氣傳感器與溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送、OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示、氫氣濃度聲光報(bào)警、探測(cè)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。為使各模塊工作，首先編寫WiFi模塊等驅(qū)動(dòng)程序，可以連接ESP8266與PC機(jī)，利用串口助手工具進(jìn)行AT指令學(xué)習(xí)，如圖2。

圖2 AT指令調(diào)試

WiFi模塊調(diào)試涉及無(wú)線通信，調(diào)試前關(guān)閉防火墻，串口助手輸入指令A(yù)T+CWMODE=1配置ESP8266為STA模式，返回OK表示配置成功，輸入AT+CWJAP加入路由器，連接路由器WiFi賬號(hào)密碼，返回WIFI GOT IP說(shuō)明路由器給模塊分配了一個(gè)地址，設(shè)置單連接AT+CIPMUX=0為透?jìng)髂Ｊ?，連接服務(wù)器地址AT+CIPSTART，發(fā)送字節(jié)命令A(yù)T+CIPSEND，然后發(fā)送數(shù)據(jù)。按該調(diào)試流程來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。

將編寫好的驅(qū)動(dòng)程序API接口調(diào)用給上層應(yīng)用程序，系統(tǒng)上電后傳感器節(jié)點(diǎn)初始化，包括AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、溫濕度傳感器、WiFi模塊等初始化，然后各節(jié)點(diǎn)連接路由器，當(dāng)沒有接收到返回OK指令，程序返回重新連接，如果20 s后OLED屏不亮說(shuō)明程序癱瘓，可能硬件出現(xiàn)問題，檢查硬件；當(dāng)接受到返回指令，程序向下執(zhí)行，接著連接上位機(jī)IP地址，9個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)連接9個(gè)不同的端口，同上，當(dāng)沒有接收到返回OK指令，程序返回重新連接，同樣如果20 s后OLED屏不亮說(shuō)明程序癱瘓，檢查硬件問題。等待網(wǎng)絡(luò)的連接后進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并發(fā)送，整個(gè)連接到第一次采樣過程耗時(shí)30 s左右，設(shè)置其采樣率1 s采兩個(gè)點(diǎn)，其主程序流程如圖3所示。

圖3 探測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

1.3.2 上位機(jī)端LabView設(shè)計(jì)

LabView是NI公司開發(fā)的一種應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)，在國(guó)際上被廣泛應(yīng)用于儀器控制和數(shù)據(jù)采集。與其他計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言不同，LabView使用的是圖形化編程語(yǔ)言G編寫程序而非文本語(yǔ)言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，這對(duì)于非專業(yè)的程序員非常方便[8]。LabView開發(fā)環(huán)境集成了構(gòu)建應(yīng)用的各種模塊工具，模塊化方式大大縮短了軟件開發(fā)周期，使得整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)更為簡(jiǎn)便快速?；贚abView平臺(tái)上設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的上位機(jī)端的前面板，其結(jié)構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)室氫氣管道分布情況，分別在三個(gè)氣瓶、氣腔和轉(zhuǎn)接口安置探測(cè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)既不能分布太密集也不能太稀疏，以保證對(duì)這些容易泄露的點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)的采集，接收到的數(shù)據(jù)顯示在對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)框圖里，通過節(jié)點(diǎn)旁邊指示燈和框圖數(shù)值可直觀判斷是否發(fā)生氫氣泄露。

后面板設(shè)計(jì)工作主要是基于TCP/IP通訊的端口偵聽、讀取字符串、解析字符串?dāng)?shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的端口，其部分程序如圖4所示。

圖4 后面板部分程序設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證所得系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院氫氣傳感器性能測(cè)試間中進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試。首先，將各傳感器節(jié)點(diǎn)分別安裝于氣瓶、實(shí)驗(yàn)氣腔和管道口等位置，用于檢測(cè)環(huán)境中氫氣的含量。氫氣傳感器封裝兩邊各4個(gè)針腳，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)板上兩排插座，靈活插拔，使傳感器的日常更換更為簡(jiǎn)便，如圖5。

圖5 節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)室溫度和濕度保持在30℃和67%RH左右范圍，打開氫氣瓶總閥與減壓閥后，為了模擬環(huán)境中氫氣泄露的情況，在保持無(wú)明火安全條件下擰松各管道結(jié)構(gòu)，使氫氣發(fā)生緩慢泄露。其中，所用氫氣為含氫量為4%體積比的氬氣-氫氣混合氣。結(jié)果表明，當(dāng)氫氣開始泄漏時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)均實(shí)現(xiàn)了氫氣濃度的連續(xù)檢測(cè)。所檢測(cè)的濃度發(fā)生變化，濃度變化響應(yīng)迅速，通氣達(dá)到一定濃度蜂鳴器尖叫，紅燈閃爍。

從上位機(jī)的前面板觀察到實(shí)驗(yàn)室中各個(gè)節(jié)點(diǎn)氫氣濃度和溫濕度情況，由后面板可知所設(shè)閾值濃度是4.1，當(dāng)氫氣濃度小于這個(gè)值，說(shuō)明是安全的，指示燈處于熄滅狀態(tài)，當(dāng)濃度超過這個(gè)值指示燈會(huì)亮起，即該節(jié)點(diǎn)處發(fā)生了泄露。其測(cè)試結(jié)果如圖6。

3 結(jié)論

本文結(jié)合WiFi物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和LabView可視化開發(fā)平臺(tái)并融合了環(huán)境因素以達(dá)到更精準(zhǔn)的氫氣濃度測(cè)量而組建的氫氣檢測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)檢測(cè)與報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，較之傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)，該系統(tǒng)免去冗繁的布線麻煩，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)簡(jiǎn)便，抗干擾性能強(qiáng)，監(jiān)控距離遠(yuǎn)，無(wú)論是在體積、成本還是功耗都做了嚴(yán)格要求的軟硬件裁剪。在實(shí)驗(yàn)室氫氣濃度的實(shí)際測(cè)試中，該系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了氫氣濃度、溫濕度的實(shí)時(shí)檢測(cè)與遠(yuǎn)距離監(jiān)控，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠保證實(shí)驗(yàn)室氫氣氣敏特性研究實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

圖6 上位機(jī)測(cè)試結(jié)果

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