在高温环境下实现基于GPRS网络的二氧化碳在线监测

吴铮　袁艺　刘奕

摘 要 近年来，随着世界人口剧增和各国工业的迅猛发展，大气中的二氧化碳浓度逐年升高，为了有效的对二氧化碳排放进行及时而准确的监测和控制，文章介绍一种适用于高温环境下二氧化碳在线监测的系统，由于利用了无线传感网络在空间距离上的绝对优势，该系统能够跨区域、准确地对高温环境中二氧化碳气体的排放量实时监测，并利用单片机处理收集到的数据、无线发射模块DTU传输数据、电脑终端接收数据，动态、立体的地呈现出小环境二氧化碳的排放情况。

【关键词】高温环境 二氧化碳 传感器 无线传感网

1 引言

工业的迅猛发展导致了化石燃料的大范围使用，大气中的二氧化碳浓度也在逐年升高。研究表明，大气中二氧化碳浓度的升高会对人类健康会产生极大的威胁。因此，必须对二氧化碳排放进行监测和控制。然而对于某些特殊复杂环境中的二氧化碳监测显得十分棘手，这迫使我们进一步探索有效的监测理论和方法，研发适应不同环境有着特殊需求的监测仪器。计算机以及微电子技术的快速发展和进步使得小型化、集成化、智能化的二氧化碳浓度监测系统得以成功研制。

2 国内外研究现状

目前，国内外所研究的高温环境下二氧化碳检测的重点主要放在对排气管道内二氧化碳的考察。国内目前主要采用人工取样法，利用微生物捕集管道中的空气样本，监测二氧化碳气体的浓度。该方法操作复杂，检测周期长，无法动态实时地完成监测。还有的方法利用奥式气体分析器，配合硫吸收液，连续、分别测定二氧化硫和二氧化碳，但该方法同样操作复杂，而且无法实时监测二氧化碳浓度。国外主要用建立监测站的方法进行监测，但监测成本高，设备线路容易受到气体腐蚀而破坏，无法实现在线监测。

3 监测系统构成和工作原理

3.1 设备结构

监测装置主要分为采样部分、分析部分和连接管道。

3.1.1 采样部分

测试部分是放置于高温环境内部的监测单元，以获取气体样本为目的，用以进一步分析监测数据。内有S型皮托管、热敏电阻温度计。由于排气管道中存在大量烟尘、煤焦油等污染物，工作环境相当恶劣。为保证各部分在此环境中正常工作，本系统的测试部分使用了S型防堵皮托管，该皮托管适用于高温、多粉尘空气和高流速的风速测量，皮托管搭配风压仪可测量管道内气体流动的动压并计算风速和风量。为避免电器元件受到高温的影响，与皮托管相配套的测试电路板放置在信号箱，与皮托管之间用耐高温软管穿过连接管道相互连接，测压仪的电路板采用RS-485接口和单片机连接，用于传输电信号。

3.1.2 分析部分

分析部分主要肩负测量高温环境中气湿度和所含二氧化碳气体浓度，并将所有设备所有传感器监测到的数据汇总，传输给单片机进行处理，单片机再将数据打包发送给无线数据传输单（DTU），最后DTU将数据打包发送给远程终端。由于刚采集到的高温环境中气样本温度较高，气体在测量浓度前需要降温，否则极可能烧坏传感器。本设备利用蛇形铜管进行物理降温，通过增加盘旋铜管的匝数，扩大与大气接触表面积，增加气体传冷却时间。分析部分内有一空心长方体。体壁较厚，利于导热；体内空心，用于放置湿度传感器和二氧化碳浓度传感器；长方体两端盖上分别有进气孔和出气孔，信号箱中的空气泵把经过上述降温过程后的样本气抽入长方体内，进行数据测量，测量过后的气体被抽出分析部分。

模块中的数字温湿度传感器，应用数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保具有极高的可靠性和长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与高性能8位单片机相连接，响应快、抗干扰能力强。

在所有参数测试完毕后，各路数据汇总到MCS-80C51单片机，其中湿度传感器与单片机之间采用单总线协议连接。80C51单片机属于MCS-51系列的单片机 ，由于性能满足数据采集及精度的要求，而且该产品价格低廉，应用也很成熟，故采用来作为该系统控制核心。单片机把处理好的数据发送至DTU，DTU配合电脑终端上的无线网卡，利用GPRS网络传输监测数据。

设备中的用电器材均通过稳压电路供电，稳压电路在一块比单片机电路板稍大的电路板上（以下称大电路板），该电路板上还接收风压仪发出的电信号，其中风压仪用RS485串行接口和电路板连接，PT100热敏电阻传感器采用A/D转换器接口和电路板连接。大电路板由信号箱内的交直流稳压电源提供电压，该电源输入电压：AC 220V±10 %，输出电压：DC 0-15V，0-30V。

3.1.3 连接管道

测试箱和信号箱由信号管相连。信号管是一根不锈钢管，为避免烧坏线路，导气管和导线分开安置。

3.2 数据接收处理单元

利用网络通信技术接收到监测设备发送来的数据之后，客户端的电脑首先进行解析：把数据选择、分类、按不同物理量整理好。整理好的数据传输给数据库存储起来，然后电脑上的程序软件从数据库中读取各种数据，并动态、实时地展示出来。

4 总结

该系统能够跨区域、准确地对高温环境中二氧化碳气体的排放量实时监测，并利用单片机处理收集到的数据、无线发射模块DTU传输数据、电脑终端接收数据，动态、立体的地呈现出小环境二氧化碳的排放情况，能够有效的对二氧化碳排放进行及时而准确的监测和控制。

参考文献

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[2]王艳菊，葛亚明，刘俊稚.利用污水和高温环境中气培养葡萄藻的研究进展[J].上海农业科技，2011.

[3]李东霞，王会昌，武建国.利用电石渣和模拟高温环境中气生产纳米碳酸钙的实验室研究[J].中国氯碱，2011.

作者简介

吴铮（1992-），男。中国矿业大学信息与电气工程学院电气工程及自动化。

作者单位

中国矿业大学 江苏省徐州市 221006