基于μC/OS-II的移动式有毒气体检测终端集成化设计*

张宝峰, 从 宇, 朱均超, 邢云龙, 庞 涛

(1.天津理工大学 光电器件与通信技术教育部工程研究中心，天津 300384； 2.天津理工大学 电气电子工程学院 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384)

0 引 言

我国大部分地区对污染环境的修复和治理工作，其注意力多集中在重金属污染、有机物等不同污染场地修复技术上[1]。但在污染场地修复过程中，也发现了一些亟待解决的问题，在化学化工和污染场地治理等行业中，存在大量有害物质或有毒气体；同时由于突发事故或者自然灾害等，会造成多种有害物质和毒性气体如氨(NH3)、氯(Cl2)及硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)等泄漏挥发到空气中形成有毒高危环境，严重威胁公共安全，必须尽快采取相应措施进行处置[2]。

在高危有毒环境中进行抢险救援、危害治理等工作时，需要指挥决策者科学掌握现场毒气浓度、分布等情况[3,4]，便于进行科学决策。目前气体检测相关技术仍处于发展阶段，国内气体检测仪研究的起步较晚[5]，现阶段气体检测仪存在着稳定性差，使用性能低等问题[6]，我国有毒气体的检测主要是在厂区等固定点位的长期在线监测，而对于突发事故现场毒气分布态势的快速检测，尚无有效解决方法[7,8]。

本文针对污染环境的复杂情况，提出一种采用移动平台搭载多组分有毒气体检测装置，按照规划路径和策略对突发事故现场的毒气分布情况进行快速检测，获取其成分、浓度分布、扩散发展等信息，为突发事故救援的指挥决策提供科学依据，保障公共安全。

1 系统总体设计

1.1 系统总体结构

本文系统采用STM32F427VGT6单片机为处理器，利用9 V锂电池供电，根据污染现场决策使用6个ECM-SMART电化学气体传感器搭建传感器阵列及NEO—7MGPS传感器，STM32控制器将接收的浓度数据及位置信息数据进行运算处理后发送至SIM800C无线传输模块，通过通用分组无线业务(GPRS)上传至云端服务器。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

1.2 系统硬件设计

1.2.1 气体数据采集电路

传感器数据采集电路利用6个ECM-SMART电化学气体传感器，该类型传感器体积小、结构简单、分辨率高，具有良好的稳定性与拓展性，输出接口为UART，电平信号为3.3 V的TTL电平信号，与控制器的通信无需A/D转换电路和电平匹配电路，简化了系统构造，增强了系统便捷性，传感器的TXD与RXD两个引脚分别与STM32的串口端口的RX引脚和TX引脚相连；由控制器发送采集指令至传感器，传感器收到指令后作出应答，将气体浓度数据传送至控制器。其传感器阵列电路图如图2所示。

图2 气体传感器阵列

STM32F4系列单片机共5组UART引脚，无法满足传感器阵列所需的串口，因此需设计串口拓展电路，采用WK2114串口拓展芯片，实现将一路异步串口拓展为4个UART。每个子通道UART的波特率、字长、校验格式可独立设置，最高可提供2 Mbps的通信速率，串口拓展电路如图3所示。

图3 串口拓展电路

1.2.2 GPS坐标采集电路

GPS坐标采集电路选用ATK—NEO—7M模块，该模块功耗低具有很好的抗干扰性，追踪灵敏度高，测量输出频率高，输出接口为UART，电平信号为3.3 V的TTL电平信号模块，GPS_TXD与GPS_RXD两个引脚分别与STM32的串口端口的USART3相连，ATK—NEO—7M 模块输出GPS定位数据采用NMEA—0183协议并过UBX协议用串口来控制模块，GPS模块电路设计如图4。

图4 GPS模块电路

1.2.3 无线传输电路

本文使用SIM800C模块电路作为无线传输的主单元，其外围电路主要由电源电路、串口通信电路、SIM卡接口电路与GSM天线接口电路组成[9]。

SIM800C的工作电压为4 V，输入电压通过4007降压0.7 V，将5 V降至4.3 V，使VAT满足3.4～4.4 V电压范围。串口通信电路是SIM800C与STM32控制器间的数据通信电路，STM32控制器将传感器所采集的各气体浓度数据及采样点位置坐标数据进行处理打包后，由串口通信电路发送至SIM800C芯片，经SIM800C芯片的透传模式直接发送至云平台中。SIM800C设计电路如图5所示。

图5 SIM800C模块电路

1.3 系统软件设计

系统中，采用传统的程序开发方式，各个任务之间的调度关系复杂，容易出现调度错误，甚至相互锁死的情况，因此，本文系统采用μC/OS—II嵌入式操作系统的方式进行软件开发[10]。

软件部分主要划分为两个任务分别是：数据采集任务和云平台通信任务。数据采集任务细分为6个气体采集子任务和GPS坐标采集子任务。各个任务之间通过调用系统函数来实现任务间的调度与管理。

1.3.1 气体采集子任务

气体采集任务是控制器与电化学气体传感器间进行通信，将相应的气体浓度传输至控制器内，系统将气体采集任务分为6个结构相同的子任务，方便控制与管理，通过两线制TTL电平串口与STM32进行通信，采用问答式传输方式通信。

STM32发送命令，传感器模组收到信号作出回应，中断服务函数接收回应，对数据进行CRC校验，检验无误后对数据进行处理得到一个Float类型值，将该值存放到结构体变量，完成一次采集过程。

1.3.2 GPS坐标采集子任务

GPS坐标采集子任务完成GPS模块与控制器之间的通信，控制器设置与气体采集相同的采样频率，GPS模块接收NMEA—0183格式信息，获取其中“GPGGA”语句[11]，提取日期、时间、经纬度、海拔高度等关键信息，经过对数据解析与转换，放入气体采集任务的结构体变量之中，完成一次数据定位。数据采集流程如图6所示。

图6 数据采集流程

1.3.3 云平台通信任务

STM32控制器通过UASRT端口将全局变量的数据发送到SIM800C无线传输模块，模块通过GPRS网络将接收到的数据上传至设定好IP地址的云服务器中。本系统为保障发送过程中由于丢包等因素而产生的数据传输错误，采用自定义的通信协议保证数据的有效性，控制器作为客户端连接云端服务器，建立SOCKET连接，发送采用问答方式，由控制器发起，服务器收到后回复，通信格式为<消息号,节点号,日期时间，纬度,纬度半球,经度,经度半球,海拔高度气体1,气体2,气体3,气体4,气体5,气体6>CRC服务器收到数据后，进行CRC校验，校验无误后原路返回，证明数据发送成功，校验错误后不返回，等待客户端超时后重新发送。数据发送流程如图7所示。

图7 数据发送流程

2 系统试验与结果分析

结合气体采集模块，GPS坐标采集模块，无线传输模块，加之规范化布线最终设计并完成有毒气体检测系统。

为了验证本有毒气体检测系统的气体采集精确度，在被测气体所设定标准浓度下对系统的采集精确度进行了实验，随机选取两种有毒气体进行检测，实验之前利用CO和H2S两种有毒气体标准浓度气瓶和气体流量计以及本文所设计的气体检测系统搭建实验平台。

将标准有毒气体气瓶与纯氮气(N2)气瓶通过导管连接至气体流量计，按照不同的比例将标准的CO，H2S进行稀释，再通过导管连接至气体检测系统，为系统提供气体检测，CO，H2S气体稀释后浓度如表1所示。

表1 有毒气体稀释浓度 (mg·m-3)

每类有毒气体被稀释成两种不同的浓度，分别进行采集实验，每隔15 s采样一次，记录气体实时的浓度数据，每组实验记录记录20个采样点，实验结果数据如图8所示。

图8 CO气体实验数据

图8为CO在稀释浓度11 mg/m3和28 mg/m3下检测到的浓度数据曲线，其中,11 mg/m3组实验数据标准差为0.127 mg/m3，平均偏差为0.204；28 mg/m3组实验数据标准差为0.181 mg/m3，平均偏差为0.115 mg/m3。

图9为SO2在稀释浓度10 mg/m3和5 mg/m3下检测到的浓度数据曲线，其中,5 mg/m3组实验数据标准差为0.043 mg/m3，平均偏差为0.039；10 mg/m3组实验数据标准差为0.068 mg/m3，平均偏差为0.041 mg/m3。

图9 SO2气体实验数据

实验表明，在20个点的采样周期内，随机选取的有毒气体传感器在不同浓度下存在一定波动，但波动幅度较小，与标准浓度误差小于5 %，系统性能稳定，满足检测要求。

3 结 论

本文根据高危污染环境的有毒气体检测需求，结合嵌入式系统和物联网技术设计了基于μC/OS-II便携式高度集成化的有毒气体检测系统，可由不同移动平台搭载，根据污染情况实现对检测环境中不同有毒气体的实时全方位检测，系统体积小、功耗低、可拓展性强，检测精度满足测量需求，在高危污染环境下运行稳定，保障了工作人员的安全。