工业废气排放质量监测系统设计

胡中南,樊蓓蓓

(1.上海大学机电工程与自动化学院，上海 200444；2.上海飞机制造有限公司，上海 200436)

0 引言

工业废气的排放在对天气和气候产生不利影响的同时，也会腐蚀物品，影响物品质量，缩短物品寿命。工业废气质量监测需要从工业废弃物、污染物等影响空气质量的主要因素着重考虑，例如NO2、SO2等[1]。

对此，本文提出了工业废气排放质量监测系统，将工业废气排放质量研究与无线通信研究相结合，发挥无线通信的作用，使工业废气监测遍布工厂的各个区域，改变工业废气监测不完善的状况。系统使用nRF24L01构建无线通信网络，节省了铺设线路的成本。系统采用主站和从站实现空气质量的多点远程监测[2]。主站是空气质量数据传输的集总站。从站是空气质量数据收集的基本单元和平台。

1 系统总体结构

工业废气排放质量监测系统可根据功能分为两个模块：从站系统和主站系统。系统总体结构如图1所示。主站系统的微控制器采用STC15F2K60S2单片机，接收由从站通过nRF24L01无线通信模块发送的监测数据，并通过LCD12864液晶屏实时显示所接收到的信息。在主站的界面上也可实时地显示数据，用户可以方便地观察数据信息，并及时地针对数据作出回应。系统具备数据保存和查询功能，以便用户后续查看和进一步分析空气质量数据[3]。

图1 系统总体结构框图

2 系统硬件设计

本系统中的硬件设计对象主要包括空气烟尘检测传感器模块和无线通信模块。其中，空气烟尘检测传感器模块的硬件设计对象主要包括SO2传感器和NO2传感器[4]。

2.1 空气烟尘检测传感器模块的硬件设计

2.1.1 SO2传感器的硬件设计

本系统中采用2SH12传感器对排放废气中的SO2气体浓度数据进行采集。

2SH12和STC15F2K60S2的连接电路如图2所示。

图2 2SH12与STC15F2K60S2的连接电路图

在硬件设计中，2SH12传感器模块的模拟信号连接到STC15F2K60S2的P1.7引脚。 STC15F2K60S2本身有A/D转换电路，不需要外围电路，可以直接将2SH12传感器模块获取的模拟信号数据转换为数字信号并输出。

2.1.2 NO2传感器的硬件设计

本硬件设计采用NE-NO2传感器作为NO2传感器。 NE-NO2是新开发的NO2传感器。由于其输出电流大，可以准确检测出低浓度的NO2。NE-NO2传感器还具有良好的重复性和稳定的运行性，所以采用NE-NO2传感器作为检测NO2气体的传感器，是非常合适的。

NE-NO2和STC15F2K60S2的连接电路如图3所示。

图3 NE-NO2与STC15F2K60S2的连接电路图

由图3可知，NE-NO2传感器模块的模拟信号输出端子连接到STC15F2K60S2的P1.0引脚。因为STC15F2K60S2本身有A/D转换电路，不需要外围电路就可以将NE-NO2传感器模块获取的模拟信号转换为数字信号并输出。

2.2 无线通信模块的硬件设计

无线通信采用的是nRF24L01通信模块[5]。STC15F2K60S2、nRF24L01，以及电源的连接电路分别如图4～图6所示。电阻器R3、R4、R5、R6、R7和R8是0.47 kΩ限流电阻器，用于保护nRF24L01无线通信模块，防止其烧坏。对于通信系统，电源稳定才能保证整个系统数据的通信准确。传感器的电源端电压波动尽量小，才能实现监测数据的准确传输。因此，本设计使用稳定电压芯片AMS1117-3.3 V。它可以稳定地转化电压，将VCC(5 V)转换为3.3 V的VDD，为nRF24L01模块供电。

图4 STC15F2K60S2的连接电路图

图5 nRF24L01的连接电路图

图6 VCC与VDD的连接电路图

3 系统软件设计

3.1 空气质量数据采集的软件设计

PM2.5和PM10数据采集程序流程如图7所示。

图7 PM2.5和PM10数据采集程序流程图

工业废气排放监测的准确性对于工业废气的监测尤为重要[6]。

首先，进行串口初始化并将串行通信波特率配置为9 600 kbit/s。然后，对PMS3003传感器初始化，配置PMS3003的采集模式和传输模式，判断接收的数据是否为0x42。如果收到的数据不是0x42，继续等待直到22字节的PM2.5和PM10浓度值数据被连续接收。最后，校验数据。

SO2、NO2、CO和O3数据采集程序流程如图8所示。 首先，进行ADC初始化，将ADC配置为查询模式；然后，分别采集SO2、NO2、CO和O3传感器的输出电压；最后，使用传感器数据校准公式进行标定处理。

图8 SO2、NO2、CO和O3数据采集程序流程图

3.2 从站系统的软件设计

系统的软件设计主要集中在功能设计，最关键的是各种工业废气的监测以及监测结果的传输问题。当按下S1按钮奇数次时，从站系统会判定无线通信模块的传输模式，并将数据传输到主站，由主站系统自动识别并执行外部中断服务程序[7]，以执行按键扫描。如果没有按下S1按钮，按流程实现空气质量数据采集，检测工业废气排放参数[8]，进行空气质量指标计算和空气质量信息显示，并将结果通过无线通信模块进行无线传输数据。

从站系统程序流程如图9所示。

图9 从站系统程序流程图

3.3 主站系统的软件设计

主站系统程序流程如图10所示。

图10 主站系统程序流程图

主站的作用是接收从站传来的数据，对数据作处理后进行显示。主站系统的主要功能[9]包括无线数据传输、LCD12864显示、串行通信和循环冗余校验(cyclic redundancy check,CRC)等子程序。在设计的主站系统中，如果接收到空气质量数据，立即从中提取转换为数字信号的空气质量信息并使用液晶模块进行显示。最后，通过串口设置将空气质量信息发送到上位机部分。

4 系统调试分析

系统调试包括硬件系统调试和系统联合调试。 由于硬件和软件是在系统设计期间独立设计的，所以在硬件完成之前会单独调试软件，但没有在运行软件的情况下调试硬件。

4.1 硬件系统调试分析

从站主要负责利用各种传感器采集工业废气数据，然后再将采集到的工业废气数据传输到主站上，方便主站实时显示有效的数据，并且能够将数据传输到计算机上供用户实时查看[10]。调试从站系统硬件电路时：首先，查阅相关数据，使用Altium Designer软件绘制从站系统原理图；然后，按照电路原理图焊接电路，用万用表仔细检查焊接电路板是否有虚焊或开路、短路等；最后，给从站系统供电。供电时要注意电源的正极和负极要正确连接。从站系统上电后，根据设计要求观察电源指示灯是否正常显示，以及电路板上的主要部件是否能够正常工作。在观察到所有部件都能按照设计要求正常工作后，再进行下一步的系统联合调试。

4.2 系统联合调试分析

首先上电，观察电源指示灯是否显示，启动从站的OLED模块显示系统界面。系统启动后，从站中OLED12864模块将循环显示空气质量信息[11]。如果未插入nRF24L01模块，OLED12864模块将在系统自检时显示nRF24L01模块未连接，提醒用户检查nRF24L01模块是否已插入。无线通信模块是整个系统的核心，其调试工作非常重要。

主系统连接到主机后，主系统上电。首先，可以观察主站中LCD12864模块显示系统的启动界面。在系统启动后，LCD12864模块将循环显示收到的空气质量信息[11]。如果nRF24L01模块未插入，LCD12864模块将在系统自检时显示nRF24L01模块未连接，提醒用户检查nRF24L01模块是否已插入。如果主系统不接收从站数据，LCD12864模块将显示“未接收”。

从以上调试结果可以看出，本文设计的工业废气排放质量监测系统基本实现了收集、无线传输、监测和评估空气质量信息的功能。

5 结论

本文设计的工业废气排放质量监测系统由从站系统和主站系统组成。该系统体积小，重量轻，携带方便，便于实时测量和显示工业废气排放监测点的空气质量。主站系统可以接收和显示从站系统发回的各种空气质量监测数据，以便研究人员查看和比较数据。通过这些数据，可分析工业废气排放中哪些气体的污染程度最高，以及需要采用何种应对措施。该系统的功耗较低，大大延长了使用时间，节省了系统的维护成本。本研究降低了成本，打开了市场，可以广泛地应用在现代工厂的废气研究中。