一氧化碳浓度测监测系统设计*

张少华， 肖金球， 李长才

(1.苏州科技学院 电子与信息工程学院，江苏 苏州215009； 2.苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏 苏州215009)

一氧化碳浓度测监测系统设计*

张少华1,2， 肖金球1,2， 李长才1,2

(1.苏州科技学院 电子与信息工程学院，江苏 苏州215009； 2.苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏 苏州215009)

为了提高空气质量监测水平，实时监测空气中的一氧化碳浓度，设计了以ARM处理器S3C2410为硬件核心的监测系统，实现对一氧化碳浓度的智能采集与处理，并通过GPRS模块将数据传输到远程监测中心。测试结果表明，本监测系统数据准确，运行稳定，能实现对空气中一氧化碳浓度的实时监测，具有较高的实用性，可用于日常性和突发性的空气污染监测。

ARM ；一氧化碳；实时监测；GPRS

0 引言

随着我国经济的不断发展，汽车数量呈现井喷式增长，伴随着汽车数量飞速增长的同时，汽车排放出的大量尾气成为环保面临的一大问题。汽车尾气中含有多种有害物质，其中一氧化碳(carbon monoxide, CO)是一种无嗅、无味的气体，一旦被吸入人体后迅速与血红蛋白结合生成碳氧血红蛋白，使血液向身体各组织器官输送氧的能力减弱，造成缺氧，对血液循环系统造成损害，甚至危害生命。在冶金厂、发电厂、化工厂等工业场所，甚至是普通居民家中都会发生CO浓度超标的情况，因此有必要设计一个能对空气中的CO进行实时监测[1-2]，采集各地区空气中CO的浓度并将所采集的数据进行传输汇总的系统，及时了解不同地区空气中CO浓度的情况，超标时进行报警提醒[3]，以便环保部门及时进行污染处理。

1 监测系统总体方案设计

本监测系统由气体检测模块、核心处理模块以及报警和通信模块组成。系统使用化学传感器中的CO传感器对空气中CO浓度进行测量获取，采集到的电流信号传送至调理电路，调理电路对传感器进行自动调零和智能校准，提高测量精度。通过A/D转换模块后将采集的数据送至ARM处理器S3C2410进行处理分析，最后将处理结果通过GPRS模块传输到远程监测中心[4]，对信息进行处理，若浓度超过设定的阈值便及时发出警报。

2 硬件电路设计

2.1 气体检测模块

在常见的气体监测系统中，气体检测通常使用对应的气体传感器[5]，其中定电位电解式方法是对于检测无机气体时使用最多、技术最完善、检测性能最好的方法，通常称为电化学传感器，本系统采用电化学CO传感器。检测过程如图1所示。

图1 气体检测过程

2.1.1 CO传感器结构与工作原理

本系统采用的是泵吸式CO传感器，传感器使用Pt作为催化触媒电极，以Nafion为固体电解质[6]，当CO通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面时，在催化剂作用下，CO发生氧化还原反应。

阳极：CO+H2O→CO2+2H++2e-

阴极：O2+4H++4e-→2H2O

其总的化学方程式为：

2CO+O2→2CO2

两个电极之间一直发生着上述氧化还原反应，电极间形成电位差。通过测量产生的电流便能计算出CO浓度。

选取的传感器应具有良好的分辨率、检测精度等检测参数，传感器的主要技术指标如表1所示。

表1 传感器主要技术参数

2.1.2 调理电路

为保证系统采集数据的准确性，使用电化学传感器时，需每隔一段时间对其进行校准调零，否则由于传感器结构的特点，其输出的电流信号必会受到制作工艺和环境温度等因素的影响，产生失真，影响数据准确性。因此系统选用TI公司生产的新型可编程电化学模拟前端芯片LMP91000[7]，能够简化传统的电化学调理电路，其结构框图如图2所示，内部含有恒电位放大器和温度传感器。

图2 LMP91000结构框图

LMP91000芯片通过可编程的增益控制和温度补偿，能够完成传感器的自动调零和智能校准，能很大程度上提高测量结果的精度。调理电路具体如图3所示。

图3 电化学传感器调理电路

2.2 核心处理模块

本系统的核心处理模块完成对从调理电路传来的电信号进行的A/D转换、数据处理、终端显示、数据存储等任务，并将处理所得的数据传输给通信模块进行传输。核心处理模块的系统框图如图4所示。

图4 核心处理电路的系统框图

2.2.1 A/D转换电路

本系统A/D转换器采用TI公司生产的TLC2543。S3C2410和TLC2543工作电压分别为3.3 V和5 V，工作电压并不一样，因此需要在S3C2410与TLC2543之间接电压转换芯片[8]74LVC4245。74LVC4245是一种双电源供电的双向收发器，能同时为5 V和3.3 V两个不同的系统之间提供双向接口，以实现A/D转换电路的供电。

2.2.2 供电电路

电源作为驱动整个系统的基础，对系统的安全性、可靠性、正常运行起关键作用，需要电池容量大且工作稳定、可靠，才能满足系统的供电。本系统要将气体检测模块放置在不同的监测地点，监测地点大都是在户外，因此系统选用可充电的胶体太阳能蓄电池。胶体太阳能蓄电池有比较好的深循环能力，有着很好的过充和过放能力，并且电池寿命长，能适应不同的环境要求，适合作为本系统的供电。

2.3 报警与通信模块

本模块负责将ARM处理器处理过的数据进行传输，测得气体浓度超过设定的阈值就发出警报，以便工作人员发现并及时处理,方便环保部门对空气污染的治理。

无线通信模块采用的是GPRS模块，负责将采集并处理好的信息发送到监测中心，数据的发送和接收均通过GPRS模块完成。系统采用西门子公司生产的MC55i模块实现无线通信，通过RS232连接S3C2410处理器，收发数据，无需编程，抗干扰能力强。

3 软件设计

软件需要实现对传感器的数据采集、ARM系统的数据处理和无线通信的数据传输。软件设计主要分为浓度采集与处理模块和无线通信模块。

3.1 浓度采集与处理模块

图5 浓度的采集与处理流程图

由嵌入式操作系统和嵌入式应用程序构成的软件部分是整个CO浓度监测的控制核心。软件包括监测程序、中断处理程序以及实现各种算法的功能模块。PC安装操作系统Redhat Linux 9.0作为主机开发环境，使用arm-linux-gcc-3.4.1进行编译，通过Minicom进行程序调试[9]。软件设计流程如图5所示。

3.2 无线通信模块

无线通信模块负责传输数据到监测中心，当系统启动后，先对模块各部件进行初始化，启动定时器，将GPRS模块接入移动公司的网络，连接监测中心的服务器。系统可设定采集和传输的时间间隔，将采集的数据进行处理并保存，当达到设定的时间就向监测中心发送，主要流程如图6所示。

图6 GPRS传输流程图

4 系统测试与结果

为了对本系统的测量结果进行测试，选择在苏州市高新区滨河路附近某小区对系统进行反复测试，选取5次测量结果如表2所示。

表2 测试结果

从表2中数据可以看出，由于传感器灵敏度只有0.1 ppm，也就是说能测到的最小量程为0.125 mg·m-3，对于测量一般空气中的CO浓度的精确度还是有限的。再次选取滨河路和狮山路交界处的十字路口进行测试，结果如表3所示。

表3 测试结果

结果显示在汽车启动时会排放出大量的CO，使空气中的CO浓度升高，并且在设定阈值为20 mg·m-3时，第二次和第五次测试时系统都及时发出了警报，说明系统设计符合要求。

5 结论

本系统以ARM处理器S3C2410为控制核心，结合嵌入式Linux操作系统构建嵌入式监测平台，实现对空气中CO浓度数据的采集、存储与传输。系统可对空气中CO浓度进行实时动态监测，且体积小、功耗低、成本少，采用太阳能电池供电具有低功耗、绿色环保的优点。系统监测稳定、实时测量准确，数据远程传输，不但能对城市环境中的CO进行监测，还可用在发电厂、冶金厂和化工厂等CO排放多的场所，甚至是普通居民家中也可用它来防止CO中毒，具有很好的市场应用前景和较高的环保推广价值。

[1] 徐珍,周凤星,陈虎.基于ARM处理器的CO气体在线监测系统的设计[J].工业安全与环保,2011,37(9):24-25.

[2] 陈聪伟,肖金球,刘士游，等.基于ARM的水体溶解氧监测系统设计[J].微型机与应用,2014,33(24):35-37,41.

[3] 杜云明,盖丽娜,王全，等.基于ATmega16L的瓦斯监测报警系统设计[J].微型机与应用,2013,32(2):87-89,92.

[4] 李建坡,钟鑫鑫.基于GPRS的空气质量综合监测系统[J].东北电力大学学报,2014,34(5):69-73.

[5] 孙宇峰,黄行九,刘伟,等.电化学CO气体传感器及其敏感特性[J].传感器技术,2004,23(7):14-17.

[6] 刘俊东.电化学一氧化碳传感器电解质研究进展[J]. 化学工程师,2006(7):34-36.

[7] 许剑锋,芦静,郝欢,等.基于LMP9100的电化学传感器调理电路设计[J].传感器世界,2014,20(2):23-25.

[8] 胡爱军,张睿卿,王聪.基于ARM9&Linux的AD转换的实现[J].机械设计与制造,2011(6):97-98.

[9] 荀艳丽.Linux内核在S3C2410上移植的研究[J].现代电子技术,2012,35(12):13-15.

Design of carbon monoxide concentrationmeasuring system

Zhang Shaohua1,2， Xiao Jinqiu1,2， Li Changcai1,2

(1.School of Electronic & Information Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China;2.Suzhou Intelligence Control Engineering Technology Center, Suzhou 215009,China)

In order to improve the level of air quality monitoring and monitor the concentration of carbon monoxide in the air in real time, this paper designed a measuring system using the ARM processor S3C2410 as the hardware core, achieving the goal of intelligent acquisition and transmission of carbon monoxide concentration. Through the GPRS module it transmit data to the remote monitoring center. Test results shows that the measuring system’s data is accurate, operation is stable. It can realize the monitoring of carbon monoxide concentration in the air, has high practicability, and can also be used for daily and sudden air pollution monitoring.

ARM; carbon monoxide; real-time monitoring; GPRS

住房和城乡建设部科学技术项目(2014-k8-050)；江苏省住房和城乡建设厅科技项目(2013JH11,2014JH12)；苏州科技学院科研基金项目(XKZ201412)

TP368.1

A

1674-7720(2016)02-0020-03

张少华， 肖金球， 李长才. 一氧化碳浓度测监测系统设计[J] .微型机与应用，2016,35(2)：20-22.

2015-09-29)

张少华(1991-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：智能测控技术。E-mail：496077834@qq.com。

肖金球(1963-)，男，硕士，教授，硕士生导师，主要研究方向：智能测控技术。