基于改进433M无线通信技术的多元化气体远程监测及净化系统

尹元跃 邓帅 方亮 杨业 张灵元

摘要：为了准确有效的对实验室排放的多元气体进行连续自动检测，运用计算机进行多点远程监测，本设计实现了一种基于改进433M无线通信技术的远程气体环境参数监测及净化系统。它由传感器模块、89C51为核心的信号处理模块、风机控制模块、净化模块以及433M模块组成。分析及试验结果表明：该系统可以稳定的实现定时或实时传输数据，该系统成本较低，可以广泛应用于化工，食品行业和毒气检测等领域。

关键词：多元气体;远程监测;改进433M;净化系统

中图分类号：TP39;TN92

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）08-0099-06

Diversified Gas Remote Monitoring and Purification SystemBased on Improved 433M Wireless Communication Technology

YIN Yuan-yue，DENG Shuai.FANG Liang，YANG Ye.ZHANG Ling-yuan

（State Grid Anhui Electric Power Co..Ltd.Wuhu Power Supply Company，Wuhu Anhui 24100.China）

Abstract ： In order to accurately and effectively carry out continuous and automatic detection of multi-emission gasemitted in the laboratory，and use computers to perform multi-point remote monitoring，this design implements a re-mote gas environmental parameter monitoring and purification system based on improwed 433M wireless communi-cation technology.lt consists of sensor module，a signal processing module with 89C51 as the core.fan control mod-ule，purification module and 433M module.The results show that the system can transmit data in a timed or real-time manner.The cost of the system is low.and it can be applied in chemical industry，food industrv and toxic gas de-tection.

Key words ： multi-element gas;remote monitoring;improved 433M;purification svstem

0引言

随着社会的进步和人类对环保意识的不断增强，国家对环境监测领域的关注越来越多，构建的覆盖范围广、实时要求高、检测数据准确的环境监测系统成为了必然需求。

实验室在安全与环境保护方面存在多种隐患，例如电气设备实验室中，设备用电功率过大，电路老化、设备过载、接地不良和静电影响等的用电安全隐患;化学类实验室中，易燃易爆的化学危险品过多，取用化学药品、保存不合理以及有毒化学气体的泄漏造成的化学药品安全隐患;生物类实验室中，病毒、菌种、标本以及其他生物危险因素的感染、泄漏造成的生物安全隐患;废弃物实验室中，废液、废气和废弃固体物泄漏造成环境污染等[1-3]。对上述实验室环境的监测，既可以确保高电压、电离辐射、化学危险品、毒品、有害生物以及水、气、火、电等危险来源有效控制以及环境的有效改善，而且可为实验人员提供长期可靠的生态环境数据，用于分析危险源的预防[4-5]。

传统环境监测点通常地理位置分散且没有电源供给，所以系统监测得执行效率低、人力成本高，再加上国内环境监测系统参差不齐，检测方式、原理、性能和精度存在差异，影响了检测数据的准确性，且设备的老化和环境因素会降低检测精准度和灵敏度，因此需要实验人员定期对设备进行维护[6-9]。此外，传统环境监测系统功能简单、检测數据单一、体积庞大等诸多问题，其配备的通信网络在覆盖范围、传输实时性以及成本很难满足远程监测的需求[10-11]。

本文基于GPRS改进的433M无线传输技术，结合高性能气体传感器，设计并实现了具有多样化气体、温湿度数据检测，气体的净化的实时监测系统，该系统可以将运行状态和检测数据实时上传，并通过大数据来分析该设备的运行状态，此外，该设备还兼有传感器寿命的预估系统，针对当系统问题提醒用户进行维护，从而确保获取数据准确性。

1多样化气体远程监测及净化系统总体设计

多功能环境远程监测净化系统包括一个主机、多个从机监测采集系统、风机控制系统以及净化系统这4部分组成，上述部分通过433无线通讯实现对现场设备实时监视，其总体结构框图如图1所示。

考虑到监测点气体和温度的多元化、流动性特点，从机采集监测系统采用模块化组态设计，即可通过快速拆模块解决移动和连续监控出现器件老化损坏的问题。监测过程中，可根据实验室功能和不同需求，进行各种模块的组合;考虑到监测参数需要监测主机在软件中显示并报警，监测设备具有开放性的硬件接口，比如串口、网络口，根据不同的监测要求进行各类传感器连接配置，如图2所示。

数据采集现场采用模块化设计，该系统需N个现场数据采集模块，且每个模块可采集16点，共计Nx16路气体、温度传感器采集5-30mA模拟信号，其各模块间采用串口通信。

由于现场工作环境具有危险性且距离监测主机较远，为实现现场与工作站间的数据能稳定、可靠传输，两者之间采用基于GJPRS改进后的433M无线传输技术。作为人机交互作用，在实验室内运行上位机监测主机。工作人员可通过上位机监测主机软件对系统的通信参数、传感器参数、通道进行设置;监测主机获取、处理实验室现场数据并完成数据画图、制表和数据分析。

1.1主机系统

主机系统的机壳采用壁挂式结构，系统功能模块分解如图3、图4所示。其主要用于现场工作人员的操作及查看。内置操作显示屏，使用改进后的433M无线通信可对从机、风控装置、净化装置进行参数设置以及各个装置的状态数据采集顯示;内置人体红外感应装置，在设备无人操作状态使设备处于屏保状态，起到节能省电作用，感应人体时设备屏幕白动启动;内置语音系统，从机采集到环境气体超标时，语音播报告警以及当工作人员进入现场时播报当前工作环境状态。

1.2从机系统

从机系统的机壳采用铝合金材质，该装置主要用于现场环境气体的采集检测。内置多组份气体检测智能传感器，采用红外光谱原理技术，精度高、功耗低、重复性稳定等优点;内置气体采样装置，采用自吸式采集方式，把环境气体以主动吸入的方式进行检测;内置锂电池供电方式，可移动式检测环境气体，在无工作电源的场景也可保持常时间的工作状态。该装置采用改进后433M无线通信技术，使就地实时采集的环境气体数据上传主机。

作为人机交互的从机也工作在实验室内如图5所示。

图6所示为数据采集模块电路图。选用8位工业单片机AT89C2051作为数据采集控制器。多个传感器的4-20mA电流信号经电阻转换成1-5V的电压信号，信号经模拟多路复用开关MAX306和运算放大器MAX4123后进入A/D转换芯片MAX1132实现模拟到数字信号的采集和转换。

1.3风机控制系统

风机控制系统的机壳采用铝合金材质，其控制系统结构如图8所示。内置电源模块、微型继电器，采用改进后的443M无线通讯技术接收以及反馈主机的工作指令，从而达到对现场风机启停的控制。

1.4净化系统

1）整体设计

净化系统的机体采用万向轮移动结构，该装置主要用于净化环境空气中有毒有害气体，采用水稀释和吸附剂（Y-X1型吸附剂、5A分子筛、日立吸附剂、KDHF-03）2种方式达到对有毒有害气体的过滤净化，通过改进后的443M无线通讯技术接收以及反馈主机的工作指令，如图9所示。图中数字代表的含义如下：1、改进后433M无线通讯模块，2、把手，3、电源插口，4、空气泵，5、电源模块，6、吸附剂气室，7、万向轮，8、排水口，9、气泡石，10、316不锈钢内胆，11、排气口，12、注水口。

2）硬件电路设计

如图10所示，系统的硬件由检测、控制、空气净化、人机交互和电源模块五部分设计组成。由模块完成甲醛、有毒气体、粉尘、气体浓度、温度和湿度等六种信息的检测，作为室内空气质量的检测指标。通过ADC和串口采集各类气体的模拟电压量，从而完成各气体浓度和净化算法，最终由净化模块完成空气净化任务，提高室内的空气质量。系统运行中的各项数据参数一方面可以显示在液晶显示屏，另外一方面用户可通过手机蓝牙远程遥控和查看。

3）净化模块设计

净化模块即为室内空气过滤净化装置，其对提升室内空气的质量起关键作用。本设计的采用5层过滤结构的净化模块：初级过滤网、活性炭过滤网、FIEPA过滤网、HIMOP过滤层和加湿滤网。第一层为初级过滤网，其可以高效地吸附空气中粉尘等颗粒，并为后部的过滤网提供一定的保护;活性炭过滤网为模块的第二层，其原理是采用物理方法进行去除异味;位于中间层的HEPA过滤网不仅可以去除粉尘颗粒，还能吸附烟雾和细菌，具有极高的去除效率;HIMOP过滤层对于甲醛有超强的功效，同时可以滤除空气中挥发性有机物、苯系物以及可吸入颗粒物等有害气体;加湿滤网用来湿润空气，起到迅速降尘的作用。

2改进433M无线通讯

本设计针对现有技术的不足，设计了一种基于GPRS技术、改进后的433M无线数传技术和智能传感器技术相结合的多功能环境远程监测净化系统[11-16]，它不仅能同时对多个监测点进行多种环境气体数据采集、环境温湿度进行监测、就地风机控制、空气环境净化等功能，而且能够基于改进后433M无线通信协议将各个从机采集的数据汇聚到主机，主机则通过GPRS网络将数据传输到远程服务器，用户可通过电脑或者手机上网实时查看环境空气数据以及现场查看监测系统工作状态。

文中所述的气体检测及净化系统是通过PM2.5传感器、甲醛传感器、温湿度传感器以及TVOC（总挥发性有机物）传感器等实时采集室内空气的质量数据，通过无线网络上传数据到服务器，通过服务器发送命令到系统，控制系统净化模块的运行。净化系统是充分利用感知技术、通讯技术和智能控制技术来实现系统的全面功能，系统采用3层体系结构：即室内环境气体感知层、数据链路层和应用服务层。

与传统433M技术相比，改进433M技术的通信数据采用AES数据加密，保证数据通信安全性;数据都采用了强化版CRC校验，提高数据通信的抗干扰能力。每个终端设备内部都做有中继跳转算法，实现设备与设备之间间隔通信。内部增加数据重发机制，当某个终端设备通信五次不成功，通信主设备认为此终端设备处于离线状态。系统的总体净化结构图如图11所示。

室内环境气体感知层中最基本的就是各种不同功能的传感器，通过适量的传感器节点组成的感知网络实现对室内空气质量的全面感知，并且通过无线网络进行联网，实现数据信息的实时汇聚与传输。通过模块化结构对各个感知节点进行设计，能够有效的感知室内的空气质量。网络传输层即对各个网关节点的信息进行处理，完成交互和融合，通信技术采用改进的433无线通信技术。应用服务层通过各个感知节点的信息，对净化设备进行与否远程操控。

3实际测试过程及分析

现将本系统应用在实验室进行系统测试，主界面显示如图12所示，可根据需要进入的实验室，查看对应的环境监测数据。

当环境正常时，氧气含量约在20.9%左右，其他气体从机监测的数值为0，此时可进入实验室房间内。

给各个实验室通入各类有毒有害气体、易燃易爆气体时，从机采集到数值通过433M无线通讯传输给显示主机界面，监测到的气体浓度实时显示，如图13所示。此時风机会白动启动，空气净化系统也会白动启动。

当风机启动对室内换风后或者空气净化后，从机监测到有毒有害、易燃易爆气体数值为0后，室内环境又恢复正常，此时风机及净化系统白动关闭。报警解除，人员可再次进入实验室。

上述实验证明了研究的基于改进433M无线通信技术的多元气体检测及净化系统能够对环境的气体进行检测，当超标时会白动净化空气，空气有害气体含量低于阈值时，报警解除，具有良好的实际应用效果。

4结语

为了准确有效地对实验室排放的多元气体进行连续自动的检测，文章基于GPRS改进的433M无线传输技术，结合高性能气体传感器，详细分析了主机系统、从机系统、风机控制系统、净化系统以及上述系统的改进433无线通讯系统。分析及试验结果表明：该系统可以稳定地实现定时或实时传输数据，该系统成本较低，可以广泛应用于化工，食品行业和毒气检测等领域。

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收稿日期：2020-01-06

作者简介：尹元跃（1971-），男，汉族，安徽芜湖人，大学本科，高级工程师，研究方向：电力系统与自动化。