NFC探气仪的设计与研究

郑瑞兰 张宗权 韦梦佳 梁建奇 胡世云

摘 要：本文设计了一款便捷、节能的气体探测仪。检测仪通过气体感应器对空气中的气体浓度进行检测，分析气体成分并将标准气体浓度和实测气体浓度进行比较，从而有效鉴别有害气体，并将检测结果通过NFC传递给软件终端，时时监控空气中的气体浓度。更早地发现气体泄漏事件，做好预防。本检测仪具有体积小、功耗低、精确度高、响应速度快等特点，可以广泛地应用于环保、家庭环境监控等行业。

关键词：便携；节能；检测仪；报警；气体

一、 引言

现如今，环境污染日益严重，其中气体污染对人们健康造成的威胁也越来越深。气体污染无时无刻不在发生着，我们可能无法阻止气体污染的发生，但是我们可以尽可能地去降低气体污染的发生概率。随着工业化的不断发展，人们在日常生活中会遇到各种危险源，其中就包括有害气体。随着人们环境保护意识的不断增加，人们对气体污染、气体环境检测也提出了越来越高的要求。

然而，目前国产的气体检测仪普遍存在选择性、稳定性差且离散性较大等缺陷。采用NFC（蓝牙）传输信息及时报警，具有稳定性高、寿命长、检测气体种类多，并且在较低浓度下即可检测、受环境干扰因素较小等明显优点。检测简单气体，通过显示屏显示气体名称；及时发现危险气体，给予警报，避免意外发生。

二、 产品的特点和优势

本产品不仅能够应用于工业检测，在民用方面，也能给予无嗅觉的人认识气味的可能，并且在家庭中及时发现煤气泄漏，防止意外发生，特别是只有孤寡老人或年幼小儿在家的时候，能大大提高安全指数，在医学方面也有很大用途。其特点在于：能帮助无嗅觉的人知道气体；及时发现危险气体，给予警报，避免意外发生；蓝牙式信息发送通知具有先进性和创新性；并且本产品具有硬件组成简单、读数方便、准确度高、选择性好、可靠性高、不依靠于氧气、安全系数高、寿命长及使用简单明了等优点。并且我们的产品成本低廉，我们产品中的传感器使用的是碳纳米管化合物芯片，蒂莫西·斯瓦格（Timothy Swager）曾以第一作者的身份在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上发表了一篇论文，详细介绍了这种传感器。这种传感器在5秒内就能检测到10 ppm（parts per million，百万分率）的有毒气体。据蒂莫西·斯瓦格（Timothy Swager）介绍：“1克碳纳米管原材料就可以制作400万个这种传感器，成本仅需5美分！”核心部件的芯片价格低廉，也带动着整个产品成本价格的全民化。

三、 产品主要部件功能简介

（1）碳纳米管化合物芯片：碳纳米管具有表面积小、机械强度高、硬度大、热稳定性高、吸附特性及特有的电学特性等性质。

（2）点阵式液晶显示屏：实现汉字显示，便于消费者知晓气体名称。

（3）泵气口：可以很好地增加气体流量，在相同时间下，仪器过滤更多气体，使得设备灵敏度得以提升。

（4）蜂鸣器播音孔：当检测到危险气体浓度达到用户所设置标准时，给予报警提醒。

（5）无线蓝牙：无线蓝牙传输技术实现了固定设备或移动设备之间的通信，环境建立通用的无线电空中接口（Radio Air Interface），将通信技术与计算机技术进一步结合起来，通过蓝牙传输，实现远距离报警效果。

四、 产品设计思路与原理

本产品通过分析气体成分及将标准气体浓度和实测气体浓度进行比较，从而有效鉴别有害气体，及时报警，客观指示。本产品传感器的电路集成在高导电率的碳纳米管上，产品外部包裹一层绝缘材料。当传感器暴露于有毒气体之中，外部绝缘材料会受腐蚀而缓慢分解，碳纳米管的导电性则随之急剧上升。主控制器通过对简单气体中的分子大小及组成进行分析，发送气体信息至仪器中的控制芯片，通过微电子和强大的数据库判断该气体，用语音或显示器让人们知道该气体。气体检测仪通过将气体传感器采集的物理或者化学非电信号转化为电信号，再通过外部电路对以上电信号整流、滤波等处理，并通过这些处理以后的信号控制相应的模块，实现气体探测的各项具体功能。

NFC探气仪程序设计思路：进入主程序后，首先对控制器进行初始化，包括I/O口初始化、气体传感器初始化等。初始化后，判断仪器是否和可移动式软件进行了蓝牙配对，蓝牙配对成功后，控制器打开基本传感器，然后进入while（1）主循环。在主循环中刷新LCD液晶屏显示，然后检查是否需求报警，若需要则出报警信息，若不需要则进入睡眠模式。如果有中断请求，则进入相应的中断处理程序，完成中断处理程序后重新回到while（1）主循环。程序通过中断处理、程序完成液晶屏显示、按键扫描以及报警处理等操作。程序在while（1）循环等待时，微控制器进入低功耗模式，关闭CPU，节省电能。当有按键操作或者定时器中断请求时，微控制器从低功耗模式下唤醒，进入活动模式。

五、 产品还存在的不足

目前我国在该产品方面有以下缺点：产品质量不高、性能不稳定，一致性较差，故障率高、研究开发能力较低，在线监测仪器的系统配套生产能力较低，不能适应市场的需要。

六、 结语

目前市场上出现的设备只能检测单一气体，且在非实验室条件下，因为气体比较分散、剂量水平低等问题使得设备并不具有实验室测试条件下的灵敏度。而我们的设备可以检测不仅仅一种人体无法识别的氣体，且我们产品中的泵气孔可以很好地增加气体流量，在相同时间下，仪器过滤更多气体，使得设备灵敏度得以提升。当前市场很缺少我们这种功能齐全的设备，当设备出现在社会市场，社会需求量还是很大的。

而我们的产品采用NFC（蓝牙）传输信息，报警及时，且具有稳定性高、寿命长、检测气体种类多，并且在较低浓度下即可检测、精度高、选择性好、可靠性高、不中毒、不依靠于氧气、受环境干扰因素较小等明显优点。这些优点将在未来逐步成为市场主流。（指导老师：徐传友）

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作者简介：郑瑞兰，张宗权，韦梦佳，梁建奇，胡世云，安徽省阜阳市，阜阳师范学院数学与统计学院。