基于物联网平台的三组分气体检测装置设计

张 胥，徐雷钧，白 雪，肖 晖

(1.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江 212000；2.镇江市计量检定测试中心，江苏镇江 212000)

0 引言

室内环境中含有多组分气体，其中部分气体过量对人体产生危害，如CH、CO2和CO等气体。因此，设计气体检测装置，实时检测室内环境中多组分气体浓度，能够有效避免室内气体中毒事件的发生。

目前，气体检测装置多采用电化学法、半导体传感器以及红外检测法[1]。与其他方式相比，红外检测法具有寿命长、环保、响应快以及精度高的优点，其中非分光红外检测法(NDIR)效果最佳[2]。现有的红外气体检测装置多存在检测气体组分单一、装置体积过大和数据观测不便的问题，关于多组分、小型化和智能化的气体检测装置的研究较少。孙世岭利用LED-PR光学结构设计了基于非色散红外技术的低功耗CO2传感器[3]，但其检测气体组分单一，应用场景较少。杜彬彬设计了三椭球结构吸收室的甲烷检测系统，提高气体传感器的分辨率，但气室体积过大，不便携带[4]。因此，设计多组分、可视化且便携式的气体检测装置成为解决问题的关键。

为了能实时、准确、高效地检测室内有害气体浓度，设计了基于物联网平台的三组分气体检测装置。该装置以非分光红外检测法为基本原理，辅以物联网平台及相关技术，实现室内CH、CO2和CO三组分气体浓度变化的远程可视化监测，利用反射型气室、紧凑的电路结构缩小了装置的体积，实现了小型化。

1 基本检测原理

1.1 朗伯-比尔定律

由红外光谱原理可知，一定频率的红外光照射气体分子时，被测气体分子中拥有相同振动频率的分子键振动吸收[5]。该频率红外光被吸收后，对应的输出光强减弱，吸收关系遵守朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律[6]，假设入射光强为Iin，出射光强为Iout，其表达式为

Iout=Iin·e-kcl

(1)

式中：k为气体对红外光的吸收系数；c为吸收红外光气体的浓度，ppm(1 ppm=10-6)；l为气体吸收介质的长度[7]，cm。

1.2 非分光红外差分检测模型

在实际测量中，采用多通道的差分检测方式可以有效减小误差。其原理如下，对于待测气体在红外光通过后，测量通道和参比通道的输出光强IMout、IRout分别为：

IMout=IMin·e-kMcl

(2)

IRout=IRin·e-kRcl

(3)

在采用单光源的情况下，测量通道和参比通道的初始光强差异可忽略不计，即IMin≈IRin。由式(2)、式(3)可得到待测气体浓度c的表达式为

(4)

由式(4)可以看出采用差分检测方式可以显著降低入射光强变化所带来的影响[8]。

由于热电堆探测器的输出电压和红外光输出光强成正比，即V∝I[9],结合式(4)可得：

(5)

式中：VMout、VRout分别为热电堆探测器测量通道和参比通道输出电压值，mV。

由式(5)可知，在气体对红外光的吸收系数kR、kM及气体吸收介质长度l确定已知的情况下，通过测量热电堆探测器输出电压即可反演推算出待测气体的实际浓度值[10]。

本装置需同时检测CH、CO2和CO气体的浓度，为缩小装置体积选用集成一体化热电堆探测器HTS-Q21，其内外部结构如图1所示。

图1 热电堆探测器内外部结构图

热电堆探测器内部是由若干热电偶串联组成，其基本原理遵循塞贝克效应，即其输出电压取决于热电偶测量端(1、3、4、5、6)和基准端(2)之间的温度差。基准端的温度由热敏电阻测得，当有红外光照射至探测器表面，热电堆测量端温度上升，产生热电势，输出电压信号。

热电堆探测器外部有4个不同波长的滤波片，分别为TP1-3.4 μm(CH对红外光吸收波长)、TP2-4.26 μm(CO2对红外光吸收波长)、TP3-4.64 μm(CO对红外光吸收波长)和TP4-3.91 μm(上述3组气体对该波长红外光几乎不吸收)[11]。将气体不敏感滤波片(TP4)当作参比通道，气体对红外光有较好吸收能力的滤波片(TP1、TP2、TP3)当作测量通道，由此构成三组气体差分检测的结构。

在本设计中以单光源四光路的形式检测三组分气体浓度。借助其探测器测量模型如图2所示。

2 系统总体方案

装置主要由红外光源、气室、热电堆探测器组成的光路系统[12]以及光源调制电路、信号调理电路、模数转换电路、单片机控制电路、无线通讯电路组成的电路系统组成，系统结构如图3所示。

图3 三组分气体传感器装置结构图

该装置以ESP8266为核心，其是一个高度集成的WiFi MCU。当装置正常工作时，ESP8266的PWM功能引脚输出2 Hz频率的方波调制信号，在光源驱动电路的作用下驱动红外光源IRL715。红外光源以固定频率发出连续光谱的红外光，经气室反射后到达热电堆探测器HTS-Q21滤波片表面，在滤波片的过滤后，探测器内部热电堆根据特定波长红外光的光强产生相应的热电动势信号。

由于热电堆探测器输出电压信号为μV级别且其中夹杂着大量噪声信号，需要信号调理电路完成对热电堆探测器输出信号的放大与滤波处理。信号在处理完毕后进行A/D转换，转化为单片机可读取的数字量信号，并利用I2C接口传输给单片机进行数据处理。通过WiFi及MQTT软通讯协议将处理完毕的数据上传手机监测端,实现了三组分气体的可视化远程检测功能。

3 硬件设计

3.1 光源驱动电路

由于热电堆探测器输出信号中包含大量噪声信号，为保证有效电压信号具有区分度，在本设计中通过ESP8266外设接口的PMW功能产生2 Hz频率的调制信号控制红外光源交替暗灭，使热电堆探测器输出一个2 Hz特征频率的信号以便于提取。

考虑到使用红外光源正常工作时电流为115 mA，单片机外设驱动电流不能达到，需要额外的光源驱动电路，其电路如图4所示。通过控制可控稳压芯片ADP7118-5,保证输出稳定、连续且变化的红外光。由于红外光源导通电流过大(约150 mA)，为防止灯的开关脉冲耦合至较小的热电堆输出电压，将红外光源采用单独电源供电。

图4 光源驱动电路图

3.2 信号调理电路

热电堆探测器输出电压范围为几百μV至几mV不能直接采样，且其中包含大量的噪声信号会影响测量结果的准确性。因此，为了使探测器输出信号能达到采样电路的最低采样阈值，需对其进行放大处理；为在噪声信号中提取有用的输出信号，需对其进行滤波处理。设计中采取放大滤波的方式，选用具有极低失调电压和漂移的精密运算放大器芯片OP281构建电路。单路滤波放大电路如图5所示。

图5 单路滤波放大电路图

热电堆探测器的每个通道都配备了84 kΩ的内部电阻，可以与电容C1构建RC低通滤波电路，其截止频率为

其22位阶跃函数响应时间为

τ=84 kΩ×39 nF×ln222≈49.9 ms

电阻R1、R2构成电路的增益放大部分，其放大增益为

电阻R2与电容C2又构成一个滤波电路，其截止频率为

其22位阶跃函数响应时间为

τ=200 kΩ×16 nF×ln222≈48.7 ms

由于采用的红外光调制频率为2 Hz，因此22位阶跃函数响应时间约为50 ms。

3.3 模数转换电路

在经过信号调理电路后输出4路模拟信号：CH、CO2、CO气体测量信号和参考信号。在对信号进行模数转换时，为提高测量精度，选用ADS1115芯片。这是4通道16位分辨率的模数转换器，可同时对4路模拟信号进行采样。通过硬件I2C接口将转换后的数字信号传输至ESP8266中进行浓度计算。电路如图6所示。

图6 模数转换电路图

4 软件设计

系统软件主要包括下位机软件程序设计和用户监测界面设计。

4.1 下位机软件程序设计

下位机程序操控整个系统设备端的实现过程，包含系统初始化、光源调制、数据采集、封装数据格式和数据上传云端的功能。下位机软件流程如图7所示。当装置上电后程序开始执行，首先进行系统内部定时器及相应外设的初始化操作，然后ESP8266开始连接室内网络，为数据上传云端做准备。当连接成功后，进行红外光源的2 Hz调制并控制模数转换芯片采集探测器输出的模拟信号，每次采集到的数据在经过数据均值处理后采用Json字符串的格式进行封包，然后通过WiFi上传至云端。

图7 下位机软件流程图

4.2 用户监测软件设计

用户监测软件的功能主要是利用物联网云平台进行数据流转，实现对下位机测量气体浓度的显示及气体浓度过阈值情况下的报警，其功能结构如图8所示，主要分为物联网关、物联网云平台及监测界面3个部分。物联网关中包括三组分气体传感器和外设I/O设备，用于实现数据的采集和执行云平台下发的控制指令。物联网云平台在接收到数据后通过规则引擎将数据下发至微信小程序制作监测软件实时显示室内三组分气体的浓度值。

5 实验与结果

装置的实验测试及对气体浓度的标定在镇江市计量检定测试中心完成。

选用2 000 ppm浓度的CH、CO2和CO三组分气体以及高纯浓度N2。通过校准器发生器将待测气体与高纯浓度N2混合进行稀释，从而得到不同的浓度值用于标定。

实验在室温25 ℃下进行，在校准器发生气配比完成后，通过引气导管向气室内通入待标定的气体，持续通气30 s以排除气室内原有气体，再静置30 s待数值稳定后再进行读数。每组浓度气体标定10次，最终取所有数据的平均值减小误差，其标定数据如表1所示。

表1 气体标定实验数据

标定完成后，对三组分气体测量电压和参考电压的比值做函数拟合处理，其拟合曲线如图9所示。

图9 标定数据拟合曲线图

将拟合得到的函数写入代码中，单片机会根据电压值，获得对应气体浓度值。

为了测试装置的稳定性，CH、CO2和CO气体在800 ppm浓度进行重复性测试，分别测试5组数据。其测量结果如表2所示。由表2可知，测量的误差最大为2.95%，具有良好的重复性，满足使用需求。

表2 重复性测试数据 ppm

并且以CH在600 ppm浓度、CO2在800 ppm浓度及CO在1 000 ppm浓度为例，在不同时段进行稳定性测试。结果如图10所示。

图10 稳定性测试曲线图

6 结论

本文设计了一种基于物联网平台的三组分气体检测小型化装置，实现了室内CH、CO2和CO三组分气体浓度的无线远程监测。以非分光红外检测法为基本原理，设计了单光源四光路的反射型气室结构提高了光路长度，有效减小了外界环境带来的影响。利用高性能运放设计了信号处理电路，有效放大了探测器输出微弱信号并滤除其中的噪声信号。以ESP8266为核心，完成光源驱动、模数转换、数据处理以及联网数据上传物联网云平台的功能，最终可以在无线监测端实时查看室内三组分气体的浓度。经过实验测试可知，设计的CH、CO2和CO三组分气体检测装置在0～2 000 ppm内的检测精度为2.95%，具有稳定性好、小型化和远程监测的特点，可应用于室内或矿井区等场所实时监测有害气体的浓度。