基于ARM的井下便携式多气体检测仪研究

陈　燕，陈　阳

(西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安　710054)

0　引言

目前，气体检测已经由单气体检测方式发展到多气体检测方式[1]，但传统的气体检测仪有功能简单、测量精度低、传感器寿命短等缺陷。文中设计了一种基于ARM的新型便携式多气体检测仪，采用了高精度的气体传感器，不仅具有多种气体同时检测、存储、显示、报警等基本功能，还设有定位地标采集和无线通信的功能，能和矿井井下的无线网络通信(如人员定位系统的位置监测分站[2])，又能应用到煤矿井下安全避险“六大系统”[3]的紧急避险系统[4]中，提高了检测仪的实用性。

1　基本功能及原理

多气体检测仪不仅可作为便携式仪表，随时检测井下环境气体，还可作为救生舱 (或避难硐室)的多参数传感器，取代多个单参数传感器。其基本功能如下：(1)同时检测和显示4种气体参数值，并能记录检测地点和时间；(2)具有参数超限声光报警、电池欠压报警等功能；(3)可设置时间、日期、报警点、通讯地址；(4)可对每种传感器进行零点和准确度标定；(5)可对检测数据进行存储、查看、删除、有线无线传输等操作；(6)可判断各参数检测范围是否超限或敏感元件是否故障。

检测仪的系统结构框图如图1所示。工作原理：气体传感器将气体浓度信号转换为电信号，经过信号调理电路将电信号处理成一定范围的电压信号，传输至单片机的A/D转换进行模数转换，再将信号滤波处理、运算等操作，将最终参数值显示、存储、发送、传输；如果有参数值超过报警阈值，MCU可驱动报警电路发出声光报警。按键和LCD显示实现检测仪的定点地址采集、无线发送、调零、标定、通讯、查询等操作。

图1　系统结构框图

2　硬件结构设计

2．1微处理器

微处理器采用高性能ARM CortexTM-M3 32位的RISC内核STM32F103VET6[5]，工作频率为72 MHz，是一款性能优越、资源丰富的微处理器，工作电压在2.0～3.6 V范围内，支持睡眠、停机和待机的低功耗模式，其资源配置如图2所示。

STM32F103VET6能作为新型便携式多气体检测仪的核心处理器，含有78个通用I/O口，64 K字节的SRAM和512 K字节的闪存存储器、LCD并行接口、12位的ADC、12通道DMA控制器、通用16位定时器和PWM定时器，有SPI、I2C、UASRT、USB等多种通信方式接口。使用ADC模块进行模数转换、FSMC配置控制LCD、SPI接口实现无线数据传输、USART接口实现地址标签信息采集、USB接口实现有线通讯、RTC模块实现时钟。

图2　STM32F103VET6资源配置图

2．2电源电路

电源电路主要对本安电池组和开机电路进行设计，如图3所示。设计采用2节1 500 mA·h/3.7 V锰酸锂电池并联作为仪器供电电源，电池组件电路设计是对锂电池组进行过充电、过放电、短路等保护。电池正常供电情况下，M1A和M2B均导通，若DW01+检测到VDD电压过充或过放情况下，M1A或M2B 截止，不再对外供电。

图3　电源电路

开关机控制：S1键是开关机控制按钮，S1键按下，M3导通，单片机获得能量运行开机程序，如果，开机条件成立，单片机置PC9为高电平，Q1导通，电源电路维持开机状态；若开机条件不成立，PC9为低电平，使Q1截止，开机失败。电路开机正常工作状态下，PC9为高电平，当单片机检测到PB0脚有低电平，执行关机程序，置PC9为低电平，正常关机。

2．3传感器

气体传感器作为气体检测仪的核心部分，其性能直接决定着仪表的检测性能。气体传感器的选择取决于被检测气体的化学特性，设计主要使用了红外式传感器检测CH4、CO2气体，用电化学传感器检测CO、O2气体。

非色散红外(NDIR)原理传感器运用是当今最先进的传感器技术，具有体积小、寿命长、性能优越等特点。CH4、CO2气体采用红外红外检测原理[6]，可分别测量0～100%VOL和0～5.00%范围的CH4、CO2气体浓度，还具有温度补偿，输出信号为数字信号，可与仪表直接通信，减少了后期的信号调理，且适合在矿井环境中使用。采用红外式原理传感器，提高了检测精度，增加传感器的使用寿命，维护周期更长。

电化学原理传感器是现今有毒气体和氧气检测的主要方式：CO检测利用了恒定电位电解原理，O2检测利用了伽伐尼电池式原理。电化学传感器输出端产生的电流与被测气体浓度按正比例变化[7]，具有体积小、灵敏度高、线性范围宽、抗干扰力强、稳定性好等特点，广泛应用在煤矿、化工等工业场合。电化学原理传感器输出电流信号很小，信号调理时需先将电流转换电压信号，再放大处理送至MCU的ADC输入端，由MCU进行数据处理。

2．4地点标签采集

地点标签采集是矿井井下一种安全管理措施：在规定时间按预设路线对每个巡检点进行环境检测，记录每个巡检点的环境情况和巡检点的地标信息，避免了假检、漏检等状况，实现无纸化办公。

设计基于RFID技术[8]，采用高频13.56 MHz的TX522BT天线一体化读写模块和无源Mifare 1 S50标签完成地点标签采集，具有体积小、高可靠等特点，可与微处理器的UART接口，以串口中断方式或通过判断INT_OUT引脚方式传输数据硬件连接如图4所示。

图4　TX522BT电路

工作原理：将J3．4(GetSnr_En)接地，TX522BT配置为只读模式。模块经初始化后，将天线置为发射载波信号模式，将模块配置为自动寻址模式：检测天线区域是否有地标，有地标后不断自动读取地标信息，通过中断向主机发送地标信息，寻址完成退出自动寻址模式并关闭地点标签采集；若没有地标，则返回没有地标的状态值，退出自动寻址模式，准备下次寻址，一次寻址，只能发送一次地标信息。

2．5无线数据传输

检测仪能和矿井井下的无线网络传输数据，以无线传输方式将采集的数据发送到基站，经基站传输到地面监控中心。无线数据传输方式基于微波RFID技术，微波频段适合于识别距离较远的场合，设计使用无线射频收发芯片nRF24L01[9]实现数据的无线传输。

nRF24L01工作在2.4～2.5 GHz的通用ISM频段，支持1 Mbit/s和2 Mbit/s的数据传输率，数据与nRF24XX系列完全兼容。nRF24L01可设置模式有：接收模式、发送模式、待机模式、掉电模式，提供SPI接口，能和任何MCU通信，其通讯连接如图5所示。

工作原理：无线射频模块要完成检测仪数据包的发送，nRF24L01有增强型ShockBurstTM数据包处理模式，可以同时控制应答及重发功能。在发送数据包时，向寄存器中发送待写入数据的地址和数据字节长度，在发送前，CE置低，设置nRF24L01发送模式，设置完毕后，CE置高。发送成功与否需检测状态寄存器，收到应答则发送成功；反之，发送失败。

图5　nRF24L01硬件接口

3　软件设计

检测仪软件采用模块化方式编制，主要由主程序、功能模块子程序、中断子程序组成，现将部分程序给予介绍：

3．1主程序

主程序主要完成系统初始化设定、数据测量、零点及灵敏度的调试和各功能模块的循环调用等，特别是实现零点自动跟踪，数据自动补偿，调校方便、数据准确，提高仪器零点的稳定性和整机的测试性能，是整个系统的主干线，主程序流程如图6所示。

仪器开机成功后，进行系统自检，再进行系统初始化并显示开机画面，最后正常进入数据采集处理循环模式，调用按键查询处理程序，根据不同按键的命令执行相应服务程序，完成相应的操作。

3．2地标采集和无线数据传输处理

地标采集只需读取地标卡号，读卡流程如图7所示，读卡使用自动寻卡模式，设置后模块检测天线区域的卡片，有卡片将激活卡片读取卡号，经验证确认后，向MCU回发卡号；若没有卡片返回一个未检测到卡片的状态值，无论有卡片否，都将执行退出自动寻卡模式。自动寻卡模式，无需对卡片进行写值操作，同时简化了软硬件设计。

图6　系统主流程图

图7　地标采集流程图

无线数据传输需将采集的环境气体参数、地标卡号等信息经无线射频模块传输到位置检测分站，传输数据时需将工作模式设置为发送模式，控制掉电模式的PWR_UP位置高，控制发送/接收的PRIM_RX置高，要传输的数据写入TX FIFO寄存器中，发送(接收)使能CE置高，CE必须持续10 μs以上1→0的脉冲，数据发送流程如图8所示。发送设置包含写入要发送数据的地址和数据字节长度、自动应答设置、接收通道设置、地址字节长度设置、自动重发设置、工作通道频率设置、射频寄存器设置、状态寄存器设置，发送过程由增强型ShockBurstTM模式下自动确认和自动重发等处理。

图8　无线数据传输流程图

4　试验与分析

试验对仪器进行了基本误差、响应时间、报警性能的测试。测试时，使用测试仪器有气体流量计、秒表、数字万用表等，通过向检测仪通入表1中标准气样进行测试(标准气样采用经国家计量部门考核认证的单位提供的气样)，其测试结果如表1。

试验结果表明：该智能多气体检测仪的检测范围及基本误差、响应时间、整机声光报警功能等各项技术指标均满足设计要求。

地址标签试验对一张Mifare 1卡进行卡号读取，读取结果为卡片的序列号：

SN：F7ABD95E

5　结束语

新型便携式多气体检测仪可实现多组数据的同时检测、显示、存储、传输，和传统的多参数检测仪相比，使用了高性能的微处理器和高精度的传感器，可扩展数据的存储容量；增加地址标签采集，可实现煤矿井下电子巡更功能；通过和人员定位系统中的位置检测分站无线通信，可实现数据的实时传输；还可作为紧急避险系统中救生舱中多功能传感器，实时监测舱内环境，拓宽检测仪的应用范围，为煤矿井下安全避险“六大系统”紧急避险系统和人员定位系统中提供一套新设备，提升矿井井下的安全系数。

表1　试验测试结果

参考文献：

[1]师宝山．基于AT89S51的多参数气体检测仪的研制．微计算机信息，2007，23(19)：190-191．

[2]孙继平．煤矿井下人员位置监测技术与系统．煤炭科学技术，2010，38(11)：1-4．

[3]国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知(安监总煤装[2010]146号)．国家安全监管总局，2010-08-24．

[4]孙继平．煤矿井下紧急避险系统研究．煤炭科学技术，2011，39(1)：69-71．

[5]ARM Limited．STM32F103VE Technical Reference Manual [EB/OL]．(2011-4-19)[2013-3-20]，http：//www．st．com．

[6]AQ 6211-2008 煤矿用非色散红外甲烷传感器．北京：煤炭工业出版社，2009．

[7]左伯莉，刘国宏．化学传感器原理及应用．北京：清华大学出版社，2007．

[8]单承赣，单玉峰，姚磊．射频识别(RFID)原理与应用．北京：电子工业出版社，2008．

[9]徐广伟．RFID在煤矿系统中的应用：[学位论文]，成都：成都理工大学，2010．