張少華1,2， 肖金球1,2,， 李長才1,2
1.蘇州科技學院 電子與信息工程學院,，江蘇 蘇州215009； 2.蘇州市智能測控工程技術研究中心，江蘇 蘇州215009
摘要：為了提高空氣質量監(jiān)測水平,，實時監(jiān)測空氣中的一氧化碳濃度,，設計了以ARM處理器S3C2410為硬件核心的監(jiān)測系統，實現對一氧化碳濃度的智能采集與處理,，并通過GPRS模塊將數據傳輸到遠程監(jiān)測中心,。測試結果表明，本監(jiān)測系統數據準確,，運行穩(wěn)定,，能實現對空氣中一氧化碳濃度的實時監(jiān)測，具有較高的實用性,，可用于日常性和突發(fā)性的空氣污染監(jiān)測,。
關鍵詞：ARM ；一氧化碳,；實時監(jiān)測,；GPRS
0引言
隨著我國經濟的不斷發(fā)展，汽車數量呈現井噴式增長,，伴隨著汽車數量飛速增長的同時,，汽車排放出的大量尾氣成為環(huán)保面臨的一大問題。汽車尾氣中含有多種有害物質,，其中一氧化碳（carbon monoxide, CO）是一種無嗅,、無味的氣體，一旦被吸入人體后迅速與血紅蛋白結合生成碳氧血紅蛋白,，使血液向身體各組織器官輸送氧的能力減弱,，造成缺氧，對血液循環(huán)系統造成損害,，甚至危害生命,。在冶金廠、發(fā)電廠,、化工廠等工業(yè)場所,，甚至是普通居民家中都會發(fā)生CO濃度超標的情況，因此有必要設計一個能對空氣中的CO進行實時監(jiān)測［12］,，采集各地區(qū)空氣中CO的濃度并將所采集的數據進行傳輸匯總的系統,，及時了解不同地區(qū)空氣中CO濃度的情況，超標時進行報警提醒［3］,，以便環(huán)保部門及時進行污染處理,。
1監(jiān)測系統總體方案設計
本監(jiān)測系統由氣體檢測模塊、核心處理模塊以及報警和通信模塊組成,。系統使用化學傳感器中的CO傳感器對空氣中CO濃度進行測量獲取,，采集到的電流信號傳送至調理電路,，調理電路對傳感器進行自動調零和智能校準，提高測量精度,。通過A/D轉換模塊后將采集的數據送至ARM處理器S3C2410進行處理分析,，最后將處理結果通過GPRS模塊傳輸到遠程監(jiān)測中心［4］，對信息進行處理,，若濃度超過設定的閾值便及時發(fā)出警報,。
2硬件電路設計
2.1氣體檢測模塊
在常見的氣體監(jiān)測系統中，氣體檢測通常使用對應的氣體傳感器［5］,，其中定電位電解式方法是對于檢測無機氣體時使用最多,、技術最完善、檢測性能最好的方法,，通常稱為電化學傳感器，本系統采用電化學CO傳感器,。檢測過程如圖1所示,。
2.1.1CO傳感器結構與工作原理
本系統采用的是泵吸式CO傳感器，傳感器使用Pt作為催化觸媒電極,，以Nafion為固體電解質［6］,，當CO通過外殼上的氣孔經透氣膜擴散到工作電極表面時，在催化劑作用下,，CO發(fā)生氧化還原反應,。
陽極：CO+H2O→CO2+2H++2e-
陰極：O2+4H++4e-→2H2O
其總的化學方程式為：
2CO+O2→2CO2
兩個電極之間一直發(fā)生著上述氧化還原反應，電極間形成電位差,。通過測量產生的電流便能計算出CO濃度,。
選取的傳感器應具有良好的分辨率、檢測精度等檢測參數,，傳感器的主要技術指標如表1所示,。
2.1.2調理電路
為保證系統采集數據的準確性，使用電化學傳感器時,，需每隔一段時間對其進行校準調零,，否則由于傳感器結構的特點，其輸出的電流信號必會受到制作工藝和環(huán)境溫度等因素的影響,，產生失真,，影響數據準確性。因此系統選用TI公司生產的新型可編程電化學模擬前端芯片LMP91000［7］,，能夠簡化傳統的電化學調理電路,，其結構框圖如圖2所示，內部含有恒電位放大器和溫度傳感器,。
圖2LMP91000結構框圖LMP91000芯片通過可編程的增益控制和溫度補償,，能夠完成傳感器的自動調零和智能校準,，能很大程度上提高測量結果的精度。調理電路具體如圖3所示,。
2.2核心處理模塊
本系統的核心處理模塊完成對從調理電路傳來的電信號進行的A/D轉換,、數據處理、終端顯示,、數據存儲等任務,，并將處理所得的數據傳輸給通信模塊進行傳輸。核心處理模塊的系統框圖如圖4所示,。
2.2.1A/D轉換電路
本系統A/D轉換器采用TI公司生產的TLC2543,。S3C2410和TLC2543工作電壓分別為33 V和5 V，工作電壓并不一樣,，因此需要在S3C2410與TLC2543之間接電壓轉換芯片［8］74LVC4245,。74LVC4245是一種雙電源供電的雙向收發(fā)器，能同時為5 V和33 V兩個不同的系統之間提供雙向接口,，以實現A/D轉換電路的供電,。
2.2.2供電電路
電源作為驅動整個系統的基礎，對系統的安全性,、可靠性,、正常運行起關鍵作用，需要電池容量大且工作穩(wěn)定,、可靠,，才能滿足系統的供電。本系統要將氣體檢測模塊放置在不同的監(jiān)測地點,，監(jiān)測地點大都是在戶外,，因此系統選用可充電的膠體太陽能蓄電池。膠體太陽能蓄電池有比較好的深循環(huán)能力,，有著很好的過充和過放能力,，并且電池壽命長，能適應不同的環(huán)境要求,，適合作為本系統的供電,。
2.3報警與通信模塊
本模塊負責將ARM處理器處理過的數據進行傳輸，測得氣體濃度超過設定的閾值就發(fā)出警報,，以便工作人員發(fā)現并及時處理,方便環(huán)保部門對空氣污染的治理,。
無線通信模塊采用的是GPRS模塊，負責將采集并處理好的信息發(fā)送到監(jiān)測中心,，數據的發(fā)送和接收均通過GPRS模塊完成,。系統采用西門子公司生產的MC55i模塊實現無線通信，通過RS232連接S3C2410處理器,，收發(fā)數據,，無需編程,，抗干擾能力強。
3軟件設計
軟件需要實現對傳感器的數據采集,、ARM系統的數據處理和無線通信的數據傳輸,。軟件設計主要分為濃度采集與處理模塊和無線通信模塊。
3.1濃度采集與處理模塊
由嵌入式操作系統和嵌入式應用程序構成的軟件部分是整個CO濃度監(jiān)測的控制核心,。軟件包括監(jiān)測程序,、中斷處理程序以及實現各種算法的功能模塊。PC安裝操作系統Redhat Linux 90作為主機開發(fā)環(huán)境,，使用armlinuxgcc341進行編譯,，通過Minicom進行程序調試［9］。軟件設計流程如圖5所示,。
3.2無線通信模塊
無線通信模塊負責傳輸數據到監(jiān)測中心,，當系統啟動后，先對模塊各部件進行初始化,，啟動定時器,，將GPRS模塊接入移動公司的網絡，連接監(jiān)測中心的服務器,。系統可設定采集和傳輸的時間間隔，將采集的數據進行處理并保存,，當達到設定的時間就向監(jiān)測中心發(fā)送,，主要流程如圖6所示。
為了對本系統的測量結果進行測試,，選擇在蘇州市高新區(qū)濱河路附近某小區(qū)對系統進行反復測試,，選取5次測量結果如表2所示。
從表2中數據可以看出,，由于傳感器靈敏度只有01 ppm,，也就是說能測到的最小量程為0125 mg·m-3，對于測量一般空氣中的CO濃度的精確度還是有限的,。再次選取濱河路和獅山路交界處的十字路口進行測試,，結果如表3所示。
結果顯示在汽車啟動時會排放出大量的CO,，使空氣中的CO濃度升高,，并且在設定閾值為20 mg·m-3時，第二次和第五次測試時系統都及時發(fā)出了警報,，說明系統設計符合要求,。
5結論
本系統以ARM處理器S3C2410為控制核心，結合嵌入式Linux操作系統構建嵌入式監(jiān)測平臺,，實現對空氣中CO濃度數據的采集,、存儲與傳輸,。系統可對空氣中CO濃度進行實時動態(tài)監(jiān)測，且體積小,、功耗低,、成本少，采用太陽能電池供電具有低功耗,、綠色環(huán)保的優(yōu)點,。系統監(jiān)測穩(wěn)定、實時測量準確,，數據遠程傳輸,，不但能對城市環(huán)境中的CO進行監(jiān)測，還可用在發(fā)電廠,、冶金廠和化工廠等CO排放多的場所,，甚至是普通居民家中也可用它來防止CO中毒，具有很好的市場應用前景和較高的環(huán)保推廣價值,。
參考文獻
?。?］ 徐珍,周鳳星,陳虎.基于ARM處理器的CO氣體在線監(jiān)測系統的設計［J］.工業(yè)安全與環(huán)保,2011,37(9):2425.
［2］ 陳聰偉,肖金球,劉士游,，等.基于ARM的水體溶解氧監(jiān)測系統設計［J］.微型機與應用,2014,33(24):3537,41.
?。?］ 杜云明,蓋麗娜,王全，等.基于ATmega16L的瓦斯監(jiān)測報警系統設計［J］.微型機與應用,2013,32(2):8789,92.
?。?］ 李建坡,鐘鑫鑫.基于GPRS的空氣質量綜合監(jiān)測系統［J］.東北電力大學學報,2014,34(5):6973.
?。?］ 孫宇峰,黃行九,劉偉,等.電化學CO氣體傳感器及其敏感特性［J］.傳感器技術,2004,23(7):1417.
［6］ 劉俊東.電化學一氧化碳傳感器電解質研究進展［J］. 化學工程師,2006(7):3436.
?。?］ 許劍鋒,蘆靜,郝歡,等.基于LMP9100的電化學傳感器調理電路設計［J］.傳感器世界,2014,20(2):2325.
?。?］ 胡愛軍,張睿卿,王聰.基于ARM9&Linux的AD轉換的實現［J］.機械設計與制造,2011(6):9798.
［9］ 荀艷麗.Linux內核在S3C2410上移植的研究［J］.現代電子技術,2012,35(12):1315.