基于物联网的声表面波传感器阵列检测系统研究

刘鑫璐，王　文，潘　勇，邵晟宇，穆　宁

(1.中国科学院 声学研究所，北京100190;2.防化研究院，北京102205)



基于物联网的声表面波传感器阵列检测系统研究

刘鑫璐1，王文1，潘勇2，邵晟宇2，穆宁2

(1.中国科学院 声学研究所，北京100190;2.防化研究院，北京102205)

摘要：针对目前日益突出的公共安全和生产安全问题的突发性和不确定性，提出了将声表面波传感器阵列与物联网技术相结合的毒害气体检测系统，并给出了毒害气体检测系统的设计方案，分别从物联网技术和声表面波技术两方面验证了系统的可行性，该系统采用了ZigBee通信技术和GPS定位手段，利用涂覆不同敏感膜的4通道声表面波传感器阵列及相应的数据处理算法，实现了对H2S、SO2等毒害气体的检测和报警，组建了成熟的便于定位的传感器网络，系统经过实验验证达到了预期的设计目标.

关键词：声表面波；物联网；气体传感器阵列；ZigBee；GPS

0引言

随着全球工业化步伐不断加快，日益扩大的工业生产产生的各种各样的毒害气体对人类的危害也愈加严重．特别是毒害气体的生产、运输和使用中存在较大的突发性和不确定性危险，威胁着生产者和居民的人身安全．此外随着人类健康和安全意识的不断提高，人们开始对室内外空气质量，车内空气污染等公共领域的安全越发关注，迫切需要能够监测、预警、应对公共和生产安全事件的科技手段[1]．

近些年便携式的气体传感设备不断发展，技术手段也各有特点，其中声表面波传感技术以其灵敏度高、成本低、体积小等优点在气体传感领域发展较为成熟，同时结合目前广泛应用的物联网技术，研究设计基于物联网的声表面波传感器阵列毒害气体检测系统，实现具有定位、采集、报警动能的在线检测网络，在生产和公共安全领域具有较大的应用和市场前景．

1物联网相关技术

ZigBee技术作为物联网中主要通信基础，是一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本、网络容量大、节点体积小的双向无线通讯技术，凡是具有上述特征或要求的场合都可应用.随着物联网行业的快速发展，对ZigBee技术的探索也越来越深入，特别是根据ZigBee网络的特点，发展出采用ZigBee的室内区域定位技术更是开拓了ZigBee的应用领域.ZigBee目前已经广泛的应用到工业过程控制、设备遥感遥控、智能交通系统和医疗与健康监护等多个领域[2]．

随着ZigBee协议框架的发展，目前在470 MHz和2.4 GHz频段上拓展了ZigBee的应用条件，特别是在470 MHz频段上，有效传输距离可以到的1 200 m，这对于ZigBee在户外环境的应用具有重要意义[3]．

此外物联网技术中的重要组成部分，全球定位系统GPS以其具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设和社会发展等各个应用领域[4-5]．

2声表面波气体传感技术

声表面波(SAW)气体传感器是Wohltjen于1979年提出来的[6]，其基本结构原理如图1．

在一块压电基片上使用半导体工艺制作2个叉指换能器，分别为发射换能器和接收换能器，还有两个反射栅分别在叉指换能器两侧，形成双端对声表面波谐振器，通过放大器的正反馈构成振荡回路，并将产生的频率信号输出[7]．

由于声表面波器件本身对气体并不会产生敏感作用，需要在声表面波器件的两个叉指换能器之间涂覆具有气体选择性的聚合物薄膜涂层，通过这种聚合物涂层对待测气体的吸附作用，引起器件中声表面波传播速度变化，最终体现为声表面波振荡器的输出频率变化，以此来实现对于气体的检测[8-9]．

图1　声表面波气体传感器原理图

随着传感技术的发展，单个气体传感器的应用具有一定局限性，不能满足复杂环境下的气体检测，为了摒除检测的局限性，发展起来的采用模式识别等数据处理方法的传感器阵列形式逐渐成熟，并成为解决复杂环境下气体检测的趋势．

3系统设计

3.1系统架构

系统将物联网技术中的ZigBee和GPS与声表面波气体传感器阵列结合，构建由主控中心和传感器终端组成的实时在线监测传感器网络，其系统结构如图2所示.

图2　系统架构图

在系统的主控中心中，主要完成对传感器终端的命令连接、传感器数据获取；对所有连接到主控中心的传感器终端进行实时监控，包括对各个传感器终端的位置信息定位，传感器采集数据显示和检测结果报警．

在系统的传感器终端中，首先完成声表面波气体传感器的制备，然后采用振荡电路的形式产生传感器信号．利用处理器实现对传感器数据采集，以及包括数据预处理，数据处理方法的建立，气体识别等功能．即传感器终端可以脱离主控中心独立运行，集成的数据处理算法可以进行被测气体的识别，进行实时的被测物判别，并对超限浓度的被测气体进行报警．当主控中心请求连接时，终端附加定位信息，通过通信部分与系统主控中心进行数据交换．

3.2主要功能设计

(1)声表面波气体传感器的制备.目前系统主要应用于环境气体的检测，大气中毒害气体主要是SO2、H2S、NO2等以及工业生产中遇到的NH3，故选择的气体敏感膜材料为TEA、PECH、谷氨酸盐酸盐和BSP．

表1中列出了敏感膜材料与其敏感气体的对应关系．

表1　敏感膜材料与被测气体对应关系

利用4种敏感膜材料进行声表面波气体传感器的制备.为保证制备的传感器具有良好的性能一致性，通常采用膜材料旋涂的方式制做，即是将制作完成的声表面波器件晶元整体旋转抛洒涂覆，这样得到的传感器敏感膜厚度均匀，传感器器件性能一致性好，便于传感器更新替换．

(2)声表面波气体传感器终端硬件设计.传感器终端电路的构成原理图如图3.

图3　传感器终端结构框图

传感器阵列是利用放大器和移向网络构建5路声表面波气体传感器振荡电路，其中4路为声表面波气体传感器，另1路为未涂覆敏感膜的空白声表面波器件，其作用是对传感器系统进行温度补偿，结构框图如图4．

图4　传感器阵列结构图

通过FPGA采集传感器阵列的信号并发送到SoC，SoC通过内部分数据处理算法对数据进行预处理、算法验证、判定完成对被测气体的识别，并根据设定的报警阈值进行报警．

当传感器终端收到主控中心的数据请求时，终端整合采集到的传感器数据和定位信息，上传到主控中心．

4系统实现

系统中的声表面波气体传感器采用300 MHz的谐振器形式设计，涂覆TEA、PECH、谷氨酸盐酸盐和BSP4种敏感膜，采用有源振荡器的电路结构，通过嵌入式处理器将传感器阵列的响应数据进行实时采集、处理和分析，并与主控中心进行通信．传感器终端经过集成采用内部自带的气泵进行气体采集.主控中心由带有ZigBee通信主节点的笔记本电脑及相应上位机软件构成．系统整体实现如图5.

图5　系统实物图

(1)系统定位与通信测试.系统中的传感器终端可独立运行监测，也可由一个主控中心对5台传感器终端进行控制，获取相应的传感器数据和位置信息．

系统在室外进行了ZigBee无线通信与GPS定位的功能验证，主控中心上对传感器终端的定位情况如下图6，其中所有地图为谷歌离线地图．由上可见，系统完全实现了主控中心对传感器终端的控制和传感器终端定位信息的上传。

(2)系统气体实验测试.在实验室条件下，对5台传感器终端分别进行SO2、H2S、NO2、NH3气体的检测，气体浓度均为系统预期检出下限5 mg/L，将每个传感器实时采集的频率结果汇总如下图7.表2中汇总了5台传感器终端对4种被测气体的响应值以及报警情况.

由此可见声表面波气体传感器可对低浓度的被测毒害气体有迅速而明显的频率响应，传感器系统具有较低的检出限，具有较强的实际应用价值．

图6　主控中心定位信息显示图

表2　传感器终端的气体响应列表

图7　传感器响应结果

5结论

采用物联网技术的声表面波传感器阵列毒害气体检测系统的设计与实现不仅使得声表面波气体传感器技术的应用领域得到了拓宽，也填补了物联网在复杂环境气体检测领域的空白，系统的试制成功对公共安全和生产安全领域环境在线实时检测具有重大意义．

参考文献：

[1]施文.有毒有害气体检测仪器原理和应用[M].北京:化学工业出版社,2009:1.

[2]刘涛涛.基于ZigBee技术的设备状态监测与故障诊断系统设计[D].中北大学机械工程与自动化学院, 2014.

[3]高福友.无线网络前端设备社区安防系统研究[J].郑州大学学报(工学版),2011,32(4):120-124.

[4]孙玉胜.浅析山区静态GPS控制网高程拟合问题[J].新疆有色金属,2011,34(5):23-24.

[5]牟乃夏,钟士金,王复明，等.GPS控制点在公路电子地图中的应用[J].郑州工业大学学报(自然科学版),2001,22(2):89-91.

[6]邹小红,郭成海,史瑞雪.声表面波气体传感器的设计[J].化学传感器,2000，20(3)：6-11.

[7]肖鸣山,宋道仁.声表面波器件基础[M]. 山东科学技术出版社，1980:1.

[8]骆国芳,吕晖,曹丙庆，等.声表面波气体传感器化学敏感膜研究进展[J].分析仪器,2007(3):1-5.

[9]杨楷,李志刚,景玉鹏，等.声表面波气体传感器的研究进展[J].电子元件与材料,2008,27(9):26-30.

Design of the Poison Gas Detection System with IOP and Surface Acoustic Wave Sensor Array

LIU Xinlu1, WANG Wen1, PAN Yong2,SHAO Shengyu2,MU Ning2

(1.Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2.Research Institute of Chemical Defense, Beijing 102205, China)

Abstract:In view of the increasingly prominent problem of sudden and uncertainty of the public security and production safety, toxic gas detection system with surface acoustic wave sensor array and Internet of things technology is proposed in this paper. It presents a design scheme of toxic gas detection system, and verifies the feasibility of the system respectively from the Internet of things technology and acoustic surface wave technology. The system realizes gas detection and alarm by using ZigBee, GPS, and the different sensitive coating film 4 channel surface acoustic wave sensor array and the corresponding data processing algorithm and so on. It has formed a mature facilitate localization of sensor network. Through the experiment the system achieves the expected goal.

Key words:surface acoustic wave; the Internet of things; gas sensor array; ZigBee; GPS

中图分类号：TB52

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201512003

作者简介：刘鑫璐(1987—)，中国科学院助理研究员，从事声表面波传感器系统应用研究.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11374254、11274340)

收稿日期:2015-12-01；

修订日期：2016-01-03

文章编号:1671-6833(2016)02-0058-04

引用本文：刘鑫璐，王文，潘勇，等.基于物联网的声表面波传感器阵列检测系统研究[J].郑州大学学报(工学版)，2016，37(2)：58-61.