基于WiFi的室温氢气检测系统的设计与研究

张文滔，王 钊，黄 锐，卢 仕，胡永明

(湖北大学 物理与电子科学学院 铁电压电材料与器件湖北省重点实验室，武汉 430062)

0 引言

氢气是一种燃烧效率高、产物无污染的清洁能源，在化工、航天以及军事等众多领域得到广泛的应用。氢气分子较小，扩散性极强，比其他液体燃料和气体更易渗透，从设备中泄露出来。由于氢气燃烧范围宽、着火点低，当氧气中含氢5%～95%或空气中含氢4.1%～74.2%时，遇明火会发生爆炸。因此，氢气的泄露直接威胁着我们的人身安全，在产氢、储氢和用氢等相关领域中，应特别注意氢气的防火防爆[1]。

氢气本身无色无味，泄漏时人的视觉和嗅觉无法分辨出来，使用过程中必须利用氢气传感器对环境中氢气的含量进行监测。然而，目前大多数氢气检测装置仍在使用高价格的进口电化学传感器作为探头。这类传感器使用寿命短，成本高且易损耗，不利于进行低成本传感网络的构建和系统的运行维护，极大的制约了氢气传感网络技术的发展。

半导体氢气传感器具有灵敏度高、成本低廉且使用寿命长等系列优点，是最具发展潜力的一类氢气传感器件。然而，传统半导体氢气传感器需在较高温度下(200～300℃)工作，器件功耗较高。利用高比表面积的低温半导体纳米材料，如纳米线、纳米带等，取代传统的块体材料，组建室温工作的高性能半导体传感器，能够有效降低传感节点的功耗，促进传感网络技术的发展。

在即将到来的人工智能时代，基于物联网进行信息交换和通信的物物相连模式已成为一种必然趋势。近年来，物联网的火热带动了无线传感网络的高速发展，促使多跳式网络通信系统更为普及，其将引起信息采集和环境感知的一场革命[2]。在众多的物联网通信技术中，与其他无线通信技术相比，WiFi在传输速率和传输距离上存在明显优势，其传输速率高达54Mb/S，传输距离在0-100 m，且稳定性能更好。因此，本文在组建半导体纳米线基室温氢气传感器的基础上，基于WiFi技术设计并制作了基于半导体氢气传感器的传感网络，并基于Labview软件平台构建了一套以高校用氢实验室为使用环境的无线氢气浓度监测系统。

1 系统的设计

1.1系统整体结构及工作原理

该系统的整体结构分为三个部分：9个传感器节点、路由器和上位机。以9个节点来采集和感知环境中信息如氢气浓度、温湿度，路由器组网搭建无线传感网络，上位机对数据信息处理分析和监控。

系统的工作原理是：以路由器为AP接入点创建一个局域网，局域网内的这9个节点和上位机分别连接上路由器的WiFi，路由器会给每个节点和上位机分配一个IP地址，以传感器节点为客户端上位机为服务器，令这9个节点与上位机的IP地址相连，先将节点采集到的氢气浓度和温湿度汇总到路由器端，然后发送到上位机上，这样在无人值守状态下，可通过上位机远程在线监控。节点上的显示屏实时读取测量到的数据，使得信息的获取更为直观化，并在氢气浓度超过设定阈值后触发节点上的报警系统发生声光报警，以便实验室管理人员及时得知并处理，消除实验室安全隐患。该系统组网模式也可以通过WiFi自组网，将路由器替换掉，如Zigbee自组网模式一样。其方法为设置WiFi模块为AP模式，作为一个AP接入点，覆盖整个局域网，让节点和上位机来连接，但这加大了组网的复杂度，增加了传感网络网关建设的成本，也容易造成路由瘫痪的现象，而且相对于Zigbee不需要协调器进行数据解析，这种多跳式非自组网模式更为简单[3]。

1.2 系统硬件电路设计

1.2.1 传感器节点设计

传感器节点主要由氢气传感器、主控制器、温湿度传感器、OLED液晶、报警系统、WiFi模块及电源等部分组成，其结构如图1所示。

图1 节点探测器结构图

传感节点的主控器采用的是意法半导体公司生产的STM32F103VCT6，STM32F103基于ARM公司Cortex-M3内核，Cortex-M3旨在设计体积小、低成本、低功耗、高性能等严格要求的嵌入式处理器。采用Cortex-M3内核的32位精简指令集RISC处理器，较之8位和16位的处理器具有更强的专用性，提供了更高的代码效率，最高可达72 MHz的工作频率。STM32体积小，片内资源丰富，16 K到512 K的Flash容量，最大64 K字节的SRAM，有睡眠、停机和待机等低功耗模式。

本文氢气传感器采用的是课题组研制的一种基于MoO3纳米带/石墨烯复合材料的室温氢氢气敏感元件[4]。该敏感元件所制成的氢气传感器在室温下具有快速响应和高灵敏度的优异特性，在低浓度1000 ppm氢气浓度的大气环境中其响应时间仅为10.6 s，灵敏度达95%。以这种室温半导体氢气敏感元件所制成的传感器探头，具有低功耗、体积小和使用寿命长等优点，能有效降低传感器节点功耗和减少氢气检测系统的开发成本[5]。

氢气传感器的模数转换基于STM32内置的12位ADC采样，转换速率达1 MHz不需要外置A/D转换器，简化了电路的复杂度。AD转换电路电路中给传感器串联一个匹配电阻RL(这个电阻是可选的，根据传感器响应特性选一个最佳的)，组成一条回路，给回路加上总电压VCC3.3再根据采集到的传感器电压V换算得到其电阻和对应氢气浓度。传感器电阻(Rs)的计算公式为：

(1)

氢气传感器响应特性受环境温度的影响，温度的变化会影响传感器电阻值的大小，使得在不同温度下的传感器对氢气浓度的检测与实际值存在误差。在以往的研究中，有的在电路回路中加上热敏元件来抵消温度带来的影响以达到温度平衡条件，也有的是通过传感器内部加热电阻来控制温度等一些，但这些方法都存在电路复杂，精度低，稳定性差等原因[6]。本文中采用温湿度传感器采集周围环境温湿度，并结合氢气浓度与温度响应关系对所测氢气浓度值进行软件滤波算法校准得到的氢气浓度值。传感器所处的实验室室温基本在区间0-40℃之间而且其浮动不大，采集取区间内不同温度系数氢气浓度值样本数据，结合实际值进行建模得到对应关系。

为进一步降低传感器节点功耗采用OLED显示屏，OLED利用有机电致发光二极管制成，不同于LCD与LED液晶屏其不需要背光源，具有自发光的特点，不管是在色彩度、亮度、响应速度还是功耗等方面都要优于LCD和LED，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。各节点OLED实时显示所测得氢气浓度。氢气浓度报警模块用于氢气浓度的阈值报警，当节点周围的氢气浓度超过所设定的阈值的时候，主控制器启动声光报警。

供电单元最终采用3.7 V锂离子电池，ADC采样回路两端总电压与控制器相同都为3.3 V，直接将3.7 V电压来加给回路会导致随着电池电量消耗电压减小，影响最终测得氢气浓度值，在电路中增加AMS11117稳压电路，利用输出3.3 V电压AD采样，以达到稳压滤波的作用。

1.2.2 无线WIFI模块

为降低成本采用WiFi的组网方式，且WiFi传输速率快，传输有效距离长，抗干扰能力强。以无线终端与无线接入点的模式设计传感网络系统，在AP无线接入点覆盖的区域内所有终端使用相同的频率互联通信[7]。WIFI模块采用的基于ESP8266芯片的ESP-07，ESP8266是一款工作在2.4 G频段的超低功耗UART-WIFI透传模块，其专为移动设备和物联网应用设计，支持802.11 b/g/n标准协议，支持STA、AP及STA+AP三种工作模式，内置TCP/IP协议栈，丰富的Socket AT指令缩短了开发周期。在众多的无线通信模块中具有成本低，封装尺寸小等特性，将用户物理设备连接到WIFI网络上后可进行互联网或局域网通信。

传感器节点ESP8266设置工作模式为Station模式，该模式下既可配置节点为客户端也能为服务器，由于是实现数据从节点到上位机的传递，基于这样TCP/IP网络传输协议，配置节点为客户端，PC机为服务器。节点与上位机连接同一个路由器即处于同一个局域网内，通过节点连接上位机IP，实现数据从客户端到服务器的的传输。用串口透传进行数据传输，传输的可靠性好，最大的传输率为460800bps。节点外接IPX接口的天线，增强多节点共联下信号抗干扰能力。实际应用中，由于节点无需长时间工作，可通设置闲时休眠的工作模式，最大化延长电池的续航能力。本文中ESP8266的Deep-sleep模式应用于低功耗的氢气传感器。在软件中设置让传感器节点每隔段时间从Deep-sleep状态醒来测量数据并发送出去，间隔时间之后节点继续进入Deep-sleep。在Deep-sleep睡眠模式下模块电流仅10uA，唤醒时间不超过3 ms。

1.3 系统软件设计

1.3.1 节点程序设计

节点程序设计主要包括氢气传感器与温湿度传感器的数据采集与发送、OLED显示屏实时显示、氢气浓度声光报警、探测节点与上位机的数据通信。为使各模块工作，首先编写WiFi模块等驱动程序，可以连接ESP8266与PC机，利用串口助手工具进行AT指令学习，如图2。

图2 AT指令调试

WiFi模块调试涉及无线通信，调试前关闭防火墙，串口助手输入指令AT+CWMODE=1配置ESP8266为STA模式，返回OK表示配置成功，输入AT+CWJAP加入路由器，连接路由器WiFi账号密码，返回WIFI GOT IP说明路由器给模块分配了一个地址，设置单连接AT+CIPMUX=0为透传模式，连接服务器地址AT+CIPSTART，发送字节命令AT+CIPSEND，然后发送数据。按该调试流程来设计整个驱动程序。

将编写好的驱动程序API接口调用给上层应用程序，系统上电后传感器节点初始化，包括AD模数转换、温湿度传感器、WiFi模块等初始化，然后各节点连接路由器，当没有接收到返回OK指令，程序返回重新连接，如果20 s后OLED屏不亮说明程序瘫痪，可能硬件出现问题，检查硬件；当接受到返回指令，程序向下执行，接着连接上位机IP地址，9个节点对应连接9个不同的端口，同上，当没有接收到返回OK指令，程序返回重新连接，同样如果20 s后OLED屏不亮说明程序瘫痪，检查硬件问题。等待网络的连接后进行数据的采集并发送，整个连接到第一次采样过程耗时30 s左右，设置其采样率1 s采两个点，其主程序流程如图3所示。

图3 探测节点程序流程图

1.3.2 上位机端LabView设计

LabView是NI公司开发的一种应用软件开发平台，在国际上被广泛应用于仪器控制和数据采集。与其他计算机编程语言不同，LabView使用的是图形化编程语言G编写程序而非文本语言，产生的程序是框图的形式，这对于非专业的程序员非常方便[8]。LabView开发环境集成了构建应用的各种模块工具，模块化方式大大缩短了软件开发周期，使得整个系统的开发更为简便快速。基于LabView平台上设计了本系统的上位机端的前面板，其结构模拟实验室氢气管道分布情况，分别在三个气瓶、气腔和转接口安置探测节点，节点既不能分布太密集也不能太稀疏，以保证对这些容易泄露的点进行及时的采集，接收到的数据显示在对应的节点框图里，通过节点旁边指示灯和框图数值可直观判断是否发生氢气泄露。

后面板设计工作主要是基于TCP/IP通讯的端口侦听、读取字符串、解析字符串数据，每个节点对应不同的端口，其部分程序如图4所示。

图4 后面板部分程序设计

2 系统测试结果

为了验证所得系统的运行状态，在湖北大学物理与电子科学学院氢气传感器性能测试间中进行应用测试。首先，将各传感器节点分别安装于气瓶、实验气腔和管道口等位置，用于检测环境中氢气的含量。氢气传感器封装两边各4个针脚，对应节点板上两排插座，灵活插拔，使传感器的日常更换更为简便，如图5。

图5 节点实物图

实验过程中，实验室温度和湿度保持在30℃和67%RH左右范围，打开氢气瓶总阀与减压阀后，为了模拟环境中氢气泄露的情况，在保持无明火安全条件下拧松各管道结构，使氢气发生缓慢泄露。其中，所用氢气为含氢量为4%体积比的氩气-氢气混合气。结果表明，当氢气开始泄漏时，所有节点均实现了氢气浓度的连续检测。所检测的浓度发生变化，浓度变化响应迅速，通气达到一定浓度蜂鸣器尖叫，红灯闪烁。

从上位机的前面板观察到实验室中各个节点氢气浓度和温湿度情况，由后面板可知所设阈值浓度是4.1，当氢气浓度小于这个值，说明是安全的，指示灯处于熄灭状态，当浓度超过这个值指示灯会亮起，即该节点处发生了泄露。其测试结果如图6。

3 结论

本文结合WiFi物联网技术和LabView可视化开发平台并融合了环境因素以达到更精准的氢气浓度测量而组建的氢气检测系统具有实时检测与报警和远程监控的功能，较之传统的有线系统，该系统免去冗繁的布线麻烦，无线网络组网简便，抗干扰性能强，监控距离远，无论是在体积、成本还是功耗都做了严格要求的软硬件裁剪。在实验室氢气浓度的实际测试中，该系统最终实现了氢气浓度、温湿度的实时检测与远距离监控，系统性能稳定，能够保证实验室氢气气敏特性研究实验的顺利进行。

图6 上位机测试结果

[1] 张 伟，刘义军，张 涛. 潜用燃料电池氢泄露分析及检测技术[J]. 舰船科学技术,2014,36(1)：95-99.

[2] 商冰洋基于无线传感器网络的多点温度检测系统的研究[D].沈阳：东北大学，2010.

[3] 郝树开，黄 春，吴艳敏，等. 基于ZigBee的氢冷发电机系统无线检测网络的设计[J]. 郑州轻工业学院学报：自然科学版. 2010,25(5)：7-10.

[4] 顾豪爽. 一种氧化钼/石墨烯复合材料及其在制备氢气敏感元件方面的应用[P]：中国，201510162163.4.2015-07-15.

[5] Yang S,Wang Z,Zou Y,et al. Remarkably accelerated room-temperature hydrogen sensing of MoO3nanoribbon/grapheme composites by suppressing the nanojunction effects[J]. Sens Actuat B,2017,248:160-168.

[6] 罗艳龙. 基于多传感器的氢气泄露检测技术研究[D]. 南京：南京理工大学，2013.

[7] 曾 磊，张海峰，候维岩. 基于WiFi的无线测控系统设计与实现[J]. 电测与仪表，2011,48(7)：81-83,96.

[8] 杨忠仁，饶 程，邹 建，等基于LabVIEW数据采集系统[J].重庆大学学报，2004,27(2)：32-35.