劉 雁

(廣州大學(xué)松田學(xué)院電氣與汽車工程系,廣東 廣州 511370)

0 引 言

隨著計算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，先進(jìn)的、多技術(shù)融合的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越廣。社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展除帶來經(jīng)濟(jì)的增長外，也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和安全問題，霧霾污染嚴(yán)重、有害氣體揮發(fā)泄露現(xiàn)象頻繁，對人們的生命健康造成嚴(yán)重威脅，當(dāng)前一些針對環(huán)境污染氣體監(jiān)測的手段和設(shè)備較為落后，且監(jiān)測范圍和監(jiān)測效果不明顯，無法對移動空間如車內(nèi)的有害氣體濃度實(shí)時有效監(jiān)測，針對這一領(lǐng)域，學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[1]設(shè)計系統(tǒng)依靠無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)，采用紅外測量模塊S300作為傳感器節(jié)點(diǎn)的核心模塊對氣體濃度進(jìn)行測量，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時的數(shù)控管理，檢測氣體濃度的可靠性無法保障；文獻(xiàn)[2]基于ARM控制器的豬舍有害氣體無線檢測控制系統(tǒng)，利用上位機(jī)上位機(jī)有線連接氣體數(shù)據(jù)分析設(shè)備對氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測，該系統(tǒng)檢測設(shè)備和分析設(shè)備不能距離太遠(yuǎn)，且豬舍空氣流通性大，檢測結(jié)果不明顯，與實(shí)際含量相差較大。檢測設(shè)備受到傳輸線限制，切不能對行駛車輛進(jìn)行有害氣體檢測是該領(lǐng)域中存在的普遍問題。為解決上述問題，設(shè)計基于無線傳感器的車內(nèi)有害氣體濃度帶電檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)有害氣體濃度的有效帶電檢測。

1 基于ZigBee通信和ARM控制器的車內(nèi)有害氣體濃度帶電檢測系統(tǒng)

車內(nèi)有害氣體濃度帶電檢測系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)[3]節(jié)點(diǎn)連接電源后，網(wǎng)絡(luò)建立成功，傳感器節(jié)點(diǎn)上包括溫濕度傳感器、氣壓傳感器以及測量對人體有害的一氧化碳傳感器，這些傳感器對車內(nèi)的整體氣體環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的車內(nèi)有害氣體信息經(jīng)低功耗射頻模塊發(fā)送出去，有害氣體信息經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紸RM控制器[4]，通信控制器在接收到數(shù)據(jù)信息后采用ARM處理器處理，最終將結(jié)果顯示出來，實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)有害氣體濃度的有效帶電檢測。

圖1 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)框圖

1.1 ZigBee無線通信模塊設(shè)計

Zigbee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案，適應(yīng)無線傳感器的低花費(fèi)、低能量、高容錯性等的要求，同時，網(wǎng)絡(luò)容量大，安全性較高，傳輸數(shù)據(jù)可靠性較好。但成本較高，自組織網(wǎng)絡(luò)能力一般。本文采用Zigbee技術(shù)，是因?yàn)槠浼夹g(shù)特點(diǎn)滿足各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。該模塊由路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)以及終端傳感器節(jié)點(diǎn)共同組成[5]。設(shè)計ZigBee無線通信模塊的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，氣壓傳感器將采集到的模擬信號傳送至微處理器內(nèi)部的模數(shù)(Analog Digital,AD)轉(zhuǎn)換器入口處，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，終端傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的溫濕度信號傳送給微處理器CC2340[6]。由終端節(jié)點(diǎn)微處理器CC2430檢測到的數(shù)據(jù)信息采用射頻的形式發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)對氣體監(jiān)測信息的數(shù)控管理。CC2430是一個系統(tǒng)芯片互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)解決方案。該解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz 波段應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是成本較低，功耗較低。另外，路由節(jié)點(diǎn)對來自傳感器節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行協(xié)調(diào)和轉(zhuǎn)發(fā)，憑借網(wǎng)絡(luò)路由表和相鄰表查找目的地址[7]。除實(shí)現(xiàn)上述功能外，ZigBee無線通信模塊還能夠?qū)Τ杀竟?jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行采集。

圖2 ZigBee無線通信模塊功能結(jié)構(gòu)框圖

1.2 ARM控制器模塊功能設(shè)計

ARM通信控制器模塊中控制器負(fù)責(zé)接收來自所有無線通信模塊傳送的氣體監(jiān)測信息，實(shí)現(xiàn)對無線通信模塊連接設(shè)備的把控，ARM通信控制器模塊方便檢測人員在車內(nèi)隨時采用ARM控制器連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對相關(guān)氣體濃度的檢測[8]。

圖3 ARM通信控制器功能結(jié)構(gòu)

1.3 一氧化碳傳感器測量電路設(shè)計

本文設(shè)計基于無線傳感器和ARM的車內(nèi)有害氣體濃度帶電檢測系統(tǒng)，主要對車內(nèi)的一氧化碳?xì)怏w濃度進(jìn)行檢測，系統(tǒng)采用ME2-CO一氧化碳傳感器進(jìn)行濃度帶電檢測，該傳感器在應(yīng)用中具有測量范圍廣、穩(wěn)定性強(qiáng)受外界環(huán)境干擾小以及測量精度高和功耗低等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器測量電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，其工作流程為：一氧化碳傳感器輸出的弱信號經(jīng)過LM358濾波電路放大后，經(jīng)由P0.6接口發(fā)送到CC2430，最后進(jìn)入到AD轉(zhuǎn)換[9]，且輸出的電壓結(jié)果與車內(nèi)一氧化碳?xì)怏w的濃度比為正數(shù)。

圖4 ME2-CO一氧化碳傳感器測量電路

1.4 軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件為NI公司的LABview虛擬儀器[10]，其能夠以圖形化的語言進(jìn)行編寫，程序包括前面板、圖標(biāo)連接器以及程序框圖等。系統(tǒng)首先進(jìn)行基本的初始化配置，初始化完成后根據(jù)下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，對有害氣體的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量的分析處理，處理后的結(jié)果在監(jiān)控中顯示，同時保存這些數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)檢測到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸回使用者[11]。其中下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息是6位字符是數(shù)據(jù)，第一個字符表示傳感器的編號[12]，后五位的字符表示檢測到有害氣體的濃度。

系統(tǒng)對一氧化碳?xì)怏w濃度的帶電檢測軟件部分同樣采用模塊化的設(shè)計方式，軟件部分包括對傳感器終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計兩部分，其中終端節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)大部分為休眠狀態(tài)，該工作狀態(tài)可降低系統(tǒng)的能耗，提升系統(tǒng)使用壽命，圖5和圖6分別為傳感器終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)流程。

圖5 傳感器終端節(jié)點(diǎn)程序流程

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文基于ZigBee通信和ARM控制器的車內(nèi)有害氣體濃度帶電檢測系統(tǒng)的有效性，實(shí)證分析本文系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，且為突出比較本文系統(tǒng)的有效性，將基于無線傳感器的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)的一氧化碳?xì)怏w濃度檢測結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)參照，對比分析本文系統(tǒng)的高效性。實(shí)驗(yàn)以人流量較大的幾條上海至合肥的火車為例，檢測不同車廂內(nèi)一氧化碳?xì)怏w的濃度，實(shí)驗(yàn)選取K1156、K1107和K8363三條鐵路線路作為研究對象，由于空氣中包含多種氣體，且溫度、濕度、氣壓等一些其它環(huán)境因素都會對一氧化碳的濃度檢測結(jié)果造成影響，實(shí)驗(yàn)忽略其它一切外界因素的干擾，假設(shè)車廂為理想狀態(tài)進(jìn)行一氧化碳濃度檢測。分別采用兩種系統(tǒng)對三條鐵路線中的12個車廂的一氧化碳濃度同時進(jìn)行檢測，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，從單位立方米檢測出有害氣體濃度的準(zhǔn)確性和得到準(zhǔn)確濃度的用時結(jié)果兩方面進(jìn)行評判。

2.1 車內(nèi)一氧化碳濃度檢測準(zhǔn)確度分析

實(shí)地對車廂進(jìn)行一氧化碳?xì)怏w濃度監(jiān)測時，測試人員分別采用本文系統(tǒng)和基于無線傳感器的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)對同一車廂的同一位置進(jìn)行監(jiān)測，將兩種系統(tǒng)的測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)B1010-C0一氧化碳測試儀結(jié)果進(jìn)行比較，表1、2和3分別為本文系統(tǒng)、基于無線傳感器的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)以及精密B1010-CO一氧化碳測試儀的一氧化碳濃度檢測結(jié)果。

表1 本文系統(tǒng)對車內(nèi)一氧化碳濃度檢測結(jié)果(mg/m3)

表2 基于無線傳感器的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)對車內(nèi)一氧化碳濃度檢測結(jié)果(mg/m3)

表3 精密B1010-CO一氧化碳測試儀對車內(nèi)一氧化碳濃度檢測結(jié)果(mg/m3)

將表1、2和3中數(shù)據(jù)用折線的形式描繪，將三種系統(tǒng)針對不同列車車內(nèi)的一氧化碳濃度檢測結(jié)果分別用圖7、圖8和圖9描述。

圖7 K1156列車內(nèi)不同車廂的一氧化碳濃度檢測結(jié)果

結(jié)合表1、2、3數(shù)據(jù)以及圖7可知，采用兩種系統(tǒng)對K1156次列車不同車廂的一氧化碳濃度的檢測結(jié)果有明顯差異，分析圖7可知，本文系統(tǒng)檢測不同車廂一氧化碳濃度曲線與精密B1010-CO一氧化碳測試儀的檢測結(jié)果曲線的相似度較為貼近，而基于無線傳感器的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)與精密儀器的檢測結(jié)果的差別較大，說明本文系統(tǒng)應(yīng)用該次列車進(jìn)行一氧化碳濃度帶電檢測具有較強(qiáng)的檢測精度。

圖8 K1107列車內(nèi)不同車廂的一氧化碳濃度檢測結(jié)果

同樣根據(jù)表1、2、3和圖8分析可知看出，在對K1107列車進(jìn)行一氧化碳濃度檢測時，基于無線傳感器的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)與精密儀器的氣體濃度檢測結(jié)果相差較大，本文系統(tǒng)的一氧化碳?xì)怏w的濃度檢測結(jié)果幾乎與精密儀器的檢測結(jié)果重合，同樣說明本文系統(tǒng)的氣體濃度檢測精度高。

依次類推分析圖9可知，本文系統(tǒng)較基于無線傳感器的氣體濃度檢測系統(tǒng)的一氧化碳?xì)怏w濃度檢測結(jié)果精度高，系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有較強(qiáng)的應(yīng)用效果，可大范圍的應(yīng)用到車內(nèi)用于檢測對人體有害的氣體的濃度。

2.2 一氧化碳檢測用時分析

圖9 K8363列車內(nèi)不同車廂的一氧化碳濃度檢測結(jié)果

評價本文系統(tǒng)的有效性不應(yīng)單單考慮系統(tǒng)檢測氣體濃度的準(zhǔn)確性，還應(yīng)將系統(tǒng)檢測氣體的濃度用時考慮在內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)行氣體濃度檢測用時越短即可降低其它外界因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，結(jié)果的可信度就越高，因此在進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)的同時，記錄兩種系統(tǒng)和精密儀器測得穩(wěn)定一氧化碳濃度的耗時結(jié)果，如表4所示。

為方便比較三種系統(tǒng)的一氧化碳?xì)怏w濃度檢測用時，將表4數(shù)據(jù)用曲線進(jìn)行描繪，為節(jié)約篇幅實(shí)驗(yàn)僅對K1156次列車和K1107次列車中各個車廂的一氧化碳濃度檢測用時進(jìn)行描述，如圖10和11所示。

表4 一氧化碳濃度檢測用時(s)

圖10 檢測K1156次列車車內(nèi)一氧化碳?xì)怏w濃度用時(s)

圖11 檢測K1107次列車車內(nèi)一氧化碳?xì)怏w濃度用時(s)

綜合分析表4和圖10和11可得，在采用本文系統(tǒng)進(jìn)行一氧化碳濃度檢測時，測得K1156次列車不同車廂的一氧化碳濃度用時在4.9～10.5 s內(nèi)上下波動，波動幅度為5.6 s，K1107次列車車廂一氧化碳濃度檢測用時在5.5～8.5 s內(nèi)波動，波幅為3 s；從圖中曲線波動情況可以看出，本文系統(tǒng)曲線波動較為緩慢，系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性較強(qiáng)；基于無線傳感器的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)測得K1156次列車一氧化碳濃度用時在13.5～24.1 s波動，波動幅度為10.5，測得K1107次列車一氧化碳濃度檢測用時變化區(qū)間為13.8～21.2 s，變化幅度為7.4 s；從曲線的波動情況可以看出，該系統(tǒng)進(jìn)行氣體濃度檢測時波動性較大，檢測結(jié)果可信度較差。

將兩系統(tǒng)的氣體濃度檢測用時結(jié)果與精密儀器的檢測結(jié)果對比可以看出，本文系統(tǒng)的用時較貼近，基于無線傳感器的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)用時遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于精密儀器檢測用時，因此說明本文系統(tǒng)在應(yīng)用于檢測有害氣體濃度方面具有較強(qiáng)的效率。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計的基于ZigBee通信和ARM控制器的車內(nèi)有害氣體濃度帶電檢測系統(tǒng)，借鑒無線傳感器和ARM的優(yōu)勢進(jìn)行設(shè)計，大幅度地提升了車內(nèi)有害氣體濃度檢測結(jié)果的精度。從實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)相比單單基于無線傳感器的氣體密度檢測精度要高，本文系統(tǒng)測得K1156次列車一氧化碳濃度用時在4.9～10.5 s內(nèi)上下波動，基于無線傳感器的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)測得K1156次列車一氧化碳濃度用時在13.5～24.1 s波動，對比檢測耗時結(jié)果可知，采用ARM后系統(tǒng)的靈敏性大大提升，檢測耗時縮短，因此說明本文系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。