基于嵌入式系统的受限空间环境监测系统

付 屾，周 严

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

0 引言

近年来，环境监测系统广泛应用于各种受限空间作业过程中的环境信息检测，但普遍功能单一，只限于对环境参数进行采集，无法依据信息对人员分布情况做出判断，同时传统的有线数据传输线路复杂，维护困难[1-4]。基于以上受限空间环境监测系统的不足，设计了一种包括气压、氧含量检测和报警功能的手持式数据采集终端。通过差分气压法检测相对海拔高度实现人员定位功能。氧含量数据作为系统报警的判断依据。手持终端通过按键实现人工报警[5-6]。针对数据传输远距离、阻隔多的特点，设计基于 LoRa通信技术的无线通信网络，充分发挥 LoRa技术的优势，在信号阻隔严重的情况下将信息汇聚至中继设备，并再次发送至监测中心。这种监测系统的优点在于人员定位稳定精确，需要考虑的干扰条件较少；氧含量检测仪器体积小，精确度高，对受限空间作业影响小；在数据传输中，充分发挥LoRa技术传输距离远、穿透性强的优势，将数据及时可靠地传输至监测中心，并降低了系统成本。

1 嵌入式系统硬件与内嵌软件设计

1.1 系统总体设计

系统硬件构成见图1，由MCU单元，氧含量检测单元、大气压力测量单元、无线通讯单元、显示单元、手动报警单元组成。

系统核心单元是MCU主控单元，选用STM32F103ZET6作为系统的微控制器，运行内嵌监控

图1 嵌入式系统硬件构成图

软件实现如下功能：控制内置ADC实施氧含量数据采集，实现氧含量检测；控制I2C接口获取大气压力测量单元输出的串行数据，经解析换算，得到人员定位信息；通过USART与无线通讯单元通信，实现报警和检测数据的远程上传。

系统监控软件是MCU核心单元的重要组成部分，监控软件架构见图 2。

图2 嵌入式监控软件架构

内嵌软件基于C语言编程。依据报警监测系统的功能要求，监控软件由氧含量检测模块、基于大气压力测量的相对海拔高度检测模块、无线通讯模块、报警模块以及显示模块构成。

1.2 氧含量检测

氧含量检测采用电化学氧传感器 O2-M2，该传感器通过电解质与氧气的反应判定对氧含量进行测量，灵敏度高，响应和恢复时间短。一般氧含量在 20.9%附近波动[7]，传感器输出在80～120 μA之间，根据输出电流确定负载电阻为100 Ω，放大电路放大倍数为206，输出电流经过负载电阻和放大电路放大后得到氧含量检测电路输出电压。STM32内部集成ADC采集输出电压，经过A/D转换后得到12位的数字电压，之后通过A/D采样的电压计算公式，如式(1)所示：

Voltage=(Voltage×3 300)/4 096

(1)

由式(1)计算得到以mV为单位的模拟电压输出，通过软件程序提取出其前三位数字，这三位数字就是最终需要的氧含量的百分比值的十位、个位和十分位的数字，再将其通过显示单元显示。氧含量检测电路如图 3所示。

图3 氧含量检测电路

1.3 基于大气压力测量的海拔高度测量

大气压力测量单元采用数字气压传感器 lps22hb。lps22hb是超小体积压阻式绝对压力传感器，使用I2C或者SPI接口通信，压力测量范围为260～1 260 hPa。能在65 ℃的扩展温度范围内保持 ±0.1 hPa的最高精度。大气压力测量电路如图 4所示。

图4 大气压力测量电路

传感器输出为数字量，测得的气压数据存储在 3个连续寄存器中，读取时连续读取 3个字节数据，此时气压值是由3个寄存器各自8 bit的数字量组成，然后将3个数据合成一个24 bit气压数据，之后解析得到以hPa为单位的气压数据。解析过程如下：

tmp=buf[2]<<16 | buf[1] << 8 | buf[0]；

if(tmp & 0x00800000)tmp|=0xFF000000；

pressure=tmp/4096.00;

得到气压数据后，利用下面公式换算成对应的海拔高度。

式中：p为某高度以hPa为单位的气压；p0为15 ℃海平面标准大气压(1 013.25 hPa);Altitude是以m为单位的海拔高度[8-9]。

换算出的是根据测得气压值确定的绝对海拔高度。将一层的绝对海拔高度作为测量基准，计算后续测量高度与基准的差值，利用相对高度值得到人员所处楼层定位信息。

1.4 无线通讯单元

无线通讯单元基于无线LoRa模块 F8L10D-N模块实现。F8L10D-N模块是一种基于 LoRa扩频技术的嵌入式无线数据传输模块，工作频段为433 MHz，可以完成中远距离无线数据传输。可以通过 AT命令对模块信息进行配置。LoRa模块与STM32之间通过USART口相连接。无线通讯单元电路如图5所示。

报警定位等数据整合完毕后，STM32按照设定好的时间间隔将数据通过串口发送给 LoRa模块，由其发送上传。无线通讯单元发送的数据遵循 LoRa模块发送数据的格式，包括帧头、长度域、数据域和异或和信息等，其中数据域内包括了设备编号、氧含量数据、高度数据、采集次数等信息。

图5 无线通讯单元电路

1.5 报警功能的实现

报警包括手动按钮报警和氧含量超标自动报警，当施工人员自感不适时按下报警按钮进行手动触发报警，当氧含量超标时自动触发报警[10]。为精简编程，手动触发报警和氧含量超标触发报警，均触发报警中断，通过执行报警中断服务程序向监测中心工作站发送报警信息，工作站收到报警信息后返回确认信息，终端收到确认信息后，退出中断报警服务程序。如果在设定的时间内未收到返回的确认信息，终端将重新发送报警信息。发送的报警信息格式如表1所示。报警信息是16进制ASCII码的形式，以一次报警发送的一包信息为例进行说明，信息如下： FE 1D 44 5F 0A 0D 34 36 47 02 36 35 36 30 3A 00 22 00 0D 0A 57 30 30 31 30 61 6C 61 72 6D 31 58 0A 0D 2B。

表1 报警信息格式

表1所示报警信息格式中，LoRa中继12位识别码是每台 LoRa中继器所特有的，与受限空间信息对应，通过它来确认报警信息来自于哪处受限空间，加入这一信息能够有效防止误报警等情况。手动报警标识是手动报警信息里面特有标识位，说明本条信息来自于手动按键报警。异或和是校验位，确保通信过程中没有发生丢失、错误等问题。

2 监测报警中心的软件设计

监测报警中心上位机软件是系统重要组成部分，作为系统实时监控平台，软件具有以下功能：数据采集终端与所在位置对应关系设置；LoRa中继与所在位置对应关系设置；氧含量、温湿度和定位高度信息的实时显示；数据采集终端报警状态的实时显示；对报警信息的处理以及回复。

3 测试及分析

3.1 氧含量测试检定

根据计量部门对氧含量检测仪器的检定标准，氧含量检测检定方案如下：将待检定的终端开机，待其稳定后，进行标定，示值误差，响应和恢复时间检定试验。

(1)标定：通入零点标定气体，记录此时示值为0%，通入含氧量为21%的标定气，记录此时的示值为21%，标定完成。

(2)示值误差检定：示值误差为标准气浓度与示值之间的差值。将氧含量为5%、10%、15%、18%、21%、25%的标准气通入待测仪器，记录待测数据采集终端在各不同浓度的标准气下的氧含量示值，在每种浓度标准气环境下测试3次，计算出示值误差，误差最大者即为示值误差，记录结果如表 2。

表2 示值误差检定记录表 %

根据记录结果数据看出，氧含量检测在不同氧气浓度的标准气检定下的示值误差最大值为0.3%，满足氧含量检测仪器性能要求中示值误差低于0.7%的要求。

(3)响应时间和恢复时间检定：通入21%含氧量标准气，稳定后开始计时，到示值降低到10%标准气浓度为止。再通入纯氮气，稳定后通入21%含氧量标准气，到示值提高到90%标准气浓度为止，分别进行3次测试，取3次测试的响应和恢复时间的算数平均数。记录结果如表3。

表3 响应时间和恢复时间检定记录表 s

根据检定结果显示，响应时间和恢复时间分别为10.3 s和14.3 s，达到低于30 s的性能指标要求。

3.2 系统报警测试

报警测试是测试当满足报警条件时，终端是否发出报警信息，监测中心是否收到报警信息，是否误报警。手动报警和氧含量超标报警的软件处理方法相同。测试在终端和监测中心处于运行状态下进行，终端与监测中心相距1 km，氧传感器感知面通入可调节浓度的氧气源，按照先手动报警，后自动报警的顺序测试。根据相关部门的安全氧含量规范，受限空间氧含量正常范围为19.5%～23%，超过该范围要求报警。参考氧含量检测仪器检定流程，采用 5%、10%、15%、20%、25%氧含量气体测试。结果如表4。

表4 报警测试记录表

测试结果表明，氧含量超标触发报警运行正常，但手动触发报警测试当中存在重复报警现象，重复报警现象是指按下一次按钮，监测中心工作站会持续收到报警信息的现象。重复报警现象出现的主要原因在于手动触发报警并且监测中心收到报警信息后应当向终端返回一条处理信息，而在设定的时间间隔内终端没有收到处理信息，就会出现重复报警。针对重复报警现象的原因，分别从终端和监测中心软件采取改进措施进行处理。终端方面，增加了报警信息发送的时间间隔，以减轻无线通信链路的负担；在发送的报警信息当中加入报警次数，当系统发生重复报警时，次数信息会递增，如果确实有人员再次报警，那么次数信息会重新从 1开始计数。监测中心软件方面，将发送返回信息的次数增加，确保处理信息能够成功发送回终端；采取屏蔽措施，收到报警信息后，一定时间内只显示一次报警信息，过了这个时间之后，若还有报警信息收到，则再次显示。在进行屏蔽的同时，每次收到报警信息依然会返回处理信息，确保收到的都是真实有效的报警信息，而不是由于重复报警所导致。加入处理措施之后对系统报警重新进行测试，测试中没有再次出现重复报警现象，说明处理办法有效避免了重复报警的出现。

3.3 人员定位测试

人员定位测试是测试气压传感器确定人员所在的高度，并通过高度确定人员位于的楼层编号的准确性。选取一座受限空间建筑物，对该建筑物各层的实际高度首先进行人工测量，并记录下人工测量的真实楼层高度值。之后通过气压与海拔高度转换的方法再次测量，并将二者测量结果进行对比。在实际测量过程中，环境因素会导致气压发生变化，以标准大气压为基准测量绝对海拔高度的方法会出现误差，所以采用比较相对海拔高度的方法，测试中取同一时间被测建筑物一层的气压值为基准，通过测量相对高度差得到所在楼层高度信息，测试数据列于表5，给出了同一时间同一环境下的一层基准气压，各个楼层的实测气压，换算后的海拔高度以及与基准高度之间的相对高度差。

表5 定位测试数据

得到相对高度差后，与直接测量好的楼层高度真实值进行对比，得到楼层高度测量值与实际值之间的关系曲线，见图 6。

图6 楼层高度真实值与测量值的关系曲线

分析曲线可知：楼层高度与实际气压值基本成线性变化关系，楼层高度人工测量值与气压换算得到的高度值非常近似，误差平均值为0.05 m，低于传感器给出的允许测量误差范围，满足人员楼层定位的要求。

4 结束语

本文研究了受限空间环境监测系统的关键技术，并进行相关测试。实现氧含量准确检测及基于氧含量检测的报警功能。基于大气压力与海拔高度的关系，通过气压测量换算实现受限空间楼层定位。无线通信网络运行稳定可靠。基于上述成果，设计的环境监测系统，在报警的同时能够定位楼层，为及时救援提供精准信息。该系统已应用于中石化某公司受限空间作业现场，提升了受限空间施工安全技术保障水平。