曾　凱，許武軍，2，黃　河，林建琴

作業(yè)現(xiàn)場危害氣體智能預(yù)警穿戴系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

曾凱1，許武軍1，2，黃河3，林建琴1

（1.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620；2.教育部數(shù)字化紡織服裝技術(shù)工程研究中心，上海201620；3.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院工程創(chuàng)新學(xué)院，上海201418）

工礦企業(yè)或市政施工現(xiàn)場的作業(yè)人員因作業(yè)環(huán)境中毒害氣體超標(biāo)導(dǎo)致中毒或窒息引起傷亡事件時有發(fā)生。為實時監(jiān)測和預(yù)警作業(yè)環(huán)境中的毒害氣體并及時反饋給作業(yè)人員和現(xiàn)場負責(zé)人，設(shè)計開發(fā)了一種用于作業(yè)現(xiàn)場危害氣體的智能預(yù)警穿戴系統(tǒng)。首先給出該系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，再進行硬件和軟件子系統(tǒng)設(shè)計，其中硬件部分包括系統(tǒng)主控平臺和電化學(xué)氣體（ECG）傳感模塊，軟件部分包括系統(tǒng)主控平臺程序和安卓平臺。本系統(tǒng)具有體積小、攜帶方便、成本低、檢測氣體種類靈活可變等特點，可以實時監(jiān)測作業(yè)環(huán)境中的氣體濃度值并及時告警，從而保障作業(yè)人員的人身安全。

危害氣體；電化學(xué)氣體傳感器；智能預(yù)警；穿戴系統(tǒng)

0　引言

在人們的日常生活中，大量的易燃易爆、具有毒性和腐蝕性的化學(xué)物品被廣泛應(yīng)用?；饒黾捌渌麨?zāi)難事故中常產(chǎn)生NH3、CO、CO2、SO2、H2S等氣體，這些氣體大部分毒性很強或有害，如果不采取防范措施，就會有生命危險。工業(yè)事故使大量危害氣體泄露，這對工作在這種環(huán)境中的作業(yè)人員是一個很大的考驗。

筆者對近2年內(nèi)工人因毒氣泄露中毒的新聞報道進行了統(tǒng)計整理，并統(tǒng)計出危害氣體導(dǎo)致作業(yè)人員中毒的數(shù)目，從中發(fā)現(xiàn)，近年來毒氣泄露造成現(xiàn)場工作人員死傷的報道逐年增加。所以保護作業(yè)時人員的安全，營造安全的工作環(huán)境刻不容緩。

1　系統(tǒng)架構(gòu)分析與設(shè)計

本文介紹了一種毒害氣體預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)崟r檢測現(xiàn)場毒害氣體濃度，并將濃度值反饋到手機中。本文以CO為例，介紹毒害氣體預(yù)警系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)。

圖1　系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1硬件子系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)分為兩大部分：系統(tǒng)主控平臺和電化學(xué)氣體（ECG）傳感模塊，其框架如圖2所示。其中系統(tǒng)主控平臺包括電源管理模塊、微控制器和短距無線通信模塊；ECG傳感模塊則可以根據(jù)實際需求，添加CH4、CO、O2、H2S等氣體傳感模塊，包括模擬前端（AFE）模塊、A/D模塊、參考電壓、ECG傳感器［3］。

圖2　系統(tǒng)主控平臺和ECG傳感模塊的框架

ECG傳感器模塊中的ECG傳感器將采集到的氣體濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電流信號，AFE模塊將該信號放大并轉(zhuǎn)為電壓信號輸出，A/D模塊將AFE輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)為15位的數(shù)字信號。參考電壓電路為AFE模塊提供一個較為精準(zhǔn)的2.5 V電壓，在進行氣體濃度計算時確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

系統(tǒng)主控平臺和ECG傳感器模塊之間通過I2C進行數(shù)據(jù)傳輸、AFE和AD寄存器的配置等。系統(tǒng)主控平臺中的微控制器將傳入的15位數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)氣體的濃度值，通過SPI總線控制短距無線通信模塊，以一定的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送至移動終端。

2.2系統(tǒng)主控平臺

（1）電源管理模塊：電池充電電路芯片選用Microchip公司的MCP73123，輸出3.6 V給充電電池充電；充電電池則選擇穩(wěn)定性較好的磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）；電池放電電路芯片采用Murata公司的LXDC3EC，能將2.5～5.5 V的輸入電壓穩(wěn)定輸出為3.3 V。電源管理模塊框架如圖3所示。

圖3　電源管理模塊的框架

（2）微控制器：采用TI公司的MSP430FR5739，采用鐵電存儲器，超低功耗，支持硬件I2C和SPI總線等；微控制器與ECG傳感模塊通信使用I2C總線。

質(zhì)子能級反轉(zhuǎn)對Ar-K同位旋相似態(tài)庫倫移動能的影 響 …………………………………………… 王再軍（1）

（3）短距無線通信模塊：選取TI公司的CC3000芯片，它是一種低成本和低功耗的WiFi通信芯片。

2.3ECG傳感模塊

（1）AFE模塊：ECG傳感器一般需要一塊AFE芯片來進行信號的預(yù)處理，比如放大和濾波。本系統(tǒng)選用TI公司的LMP91000作為AFE，LMP91000與ECG傳感器之間通過CE/RE/WE 3線連接；想要選中某一塊LMP91000時，微控制器對LMP91000進行使能，需要將MENB引腳拉低，再通過芯片的I2C地址來進行芯片的配置。

（2）A/D模塊：為了實現(xiàn)更高精度的轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)另外添加A/D轉(zhuǎn)換芯片，選用TI公司的ADS1110，16位分辨率，支持I2C；AFE模塊通過Vout端口向A/D模塊傳輸電壓模擬量，微控制器通過I2C總線控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。

（3）參考電壓：為了保證A/D轉(zhuǎn)換精度，外接2.5 V的參考電壓，本系統(tǒng)選用TI公司的LM4120-2.5芯片，它的輸入電壓為電源管理模塊的輸出電壓3.3 V，它的輸出電壓為2.5 V。

（4）ECG傳感器：與金屬氧化物氣體傳感器、紅外型氣體傳感器相比，ECG傳感器具有性能好、價格低、功耗小、測量范圍廣的特點。本系統(tǒng)采用Solidsense公司的ECG傳感器，可選的傳感器有CH4、CO、O2、H2S、CI2、SO2、NO等氣體傳感器。

3　軟件子系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)主控平臺程序設(shè)計

圖4所示為系統(tǒng)主控平臺程序流程圖。首先設(shè)置時鐘頻率，初始化GPIO口、I2C和SPI總線。通過SPI初始化CC3000模塊，并連接到AP。通過I2C對ECG傳感器模塊上的LMP91000和ADS1110控制字寄存器進行配置，為ECG傳感器信號放大和ADC做準(zhǔn)備。ECG進行預(yù)熱，一般來說CO ECG傳感器預(yù)熱需要1 min左右。判斷ADS1110中的配置字與之前寫入的是否一致，一致則繼續(xù)，否則跳轉(zhuǎn)再配置ADS1110。最后讀取ADS1110中的15位轉(zhuǎn)換值，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的氣體濃度，通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送到手機終端，間隔30 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)幀［4］。

3.2安卓平臺應(yīng)用軟件設(shè)計

安卓平臺開發(fā)使用Eclipse開發(fā)環(huán)境，所開發(fā)的界面如圖5所示，包括主界面、實時數(shù)據(jù)界面和設(shè)置界面。

圖4　系統(tǒng)主控平臺程序流程圖

圖5　安卓平臺應(yīng)用軟件界面

（1）主界面：開啟TCP服務(wù)器，等待多個毒害氣體監(jiān)測設(shè)備連接（最多同時支持5個設(shè)備），選擇設(shè)備號查看實時CO的濃度，同時可以跳轉(zhuǎn)進入設(shè)置界面。

（2）實時數(shù)據(jù)界面：可以查看設(shè)備、使用者信息、工號等信息，顯示CO的實時濃度值，并與設(shè)定的閾值進行對比，同時使用文字提醒和三色濃度值提醒，即顯示CO濃度是否正常，正常濃度值數(shù)據(jù)位顯示為綠色，臨界值顯示為橙色，警告值顯示為紅色。

（3）設(shè)置界面：可以設(shè)置CO的閾值，綁定設(shè)備號、使用者姓名和工號等信息［5］。

4　實現(xiàn)與驗證

圖6是系統(tǒng)硬件的實物圖，其中圖6（a）是正面圖，主要是系統(tǒng)主控平臺，圖6（b）是背面圖，其中①是微控制器，②是短距無線通信模塊，③是ECG模塊，④是LiFePO4電池。ECG模塊通過接插件安裝在系統(tǒng)主控平臺的背面。

圖6　系統(tǒng)硬件實物圖

4.1系統(tǒng)測試方案設(shè)計

本文設(shè)計了如下實驗環(huán)境：將已連接AP（TLWR740N）的系統(tǒng)主控平臺放入一個密閉的玻璃器皿中，并用蘸有酒精的醫(yī)用棉點燃并放入其中，以此來制造CO。從剛開始到最后醫(yī)用棉因缺氧而熄滅，CO的濃度是逐漸增加；將密閉的空間人為地制造一個縫隙，讓空氣擴散進入，等待一段時間，最后將密閉容器移除，CO的濃度將逐漸降到0 PPM。

4.2實驗數(shù)據(jù)分析

CO濃度變化曲線如圖7所示，CO濃度數(shù)據(jù)每隔30 s傳輸1次。從0時刻開始，系統(tǒng)主控平臺剛放入密閉的器皿中，所以CO濃度為0 PPM；在60 s的時刻，醫(yī)用棉點燃，過了3 s因缺氧而熄滅，CO濃度迅速增加；在120 s的時刻，CO濃度達到最大值；從150 s的時刻開始，空氣擴散進入器皿，CO濃度緩慢降低，直到600 s的時刻還有一定濃度的CO；在750 s的時刻，密閉容器全部移除，系統(tǒng)主控平臺暴露在空氣中，CO濃度迅速下降；到780 s的時刻，CO濃度又恢復(fù)為0 PPM。

圖7　實驗環(huán)境下CO濃度的變化

5　結(jié)論

本文介紹了一種用于作業(yè)現(xiàn)場危害氣體的智能預(yù)警穿戴系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。傳統(tǒng)的氣體檢測儀多為固定設(shè)備，不靈活，需要人工讀數(shù)，從而降低作業(yè)人員的效率。與之相比，本系統(tǒng)的硬件具有體積小、攜帶方便、檢測氣體種類靈活可變等特點。本文驗證了CO ECG傳感器能實時檢測變化的CO濃度并轉(zhuǎn)換為PPM值，并傳到安卓平臺，而給CO濃度值做標(biāo)定是下一步的工作。

［1］Li Haitao，Mu Xiaoyi，Wang Zhe，et al.Wearable autonomous microsystem with electrochemical gas sensor array for real-time health and safety monitoring［C］.Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，2012：503-506.

［2］RADU T，F(xiàn)AY C，LAU K T，et al.Wearable sensing application-carbon dioxide monitoring for emergency personnel using wearable sensors［J］.International Conference on Environmental Systems Engineering，ICESE 2009，Venice，I-taly，2009.

［3］陳征，劉開華.基于MSP430的多用便攜式測量儀的設(shè)計［J］.電子測量技術(shù)，2012（5）：36-39.

［4］沈建華，楊艷琴.MSP430超低功耗點偏激原理與應(yīng)用（第二版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

［5］李剛.瘋狂Android講義［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

Design and im p lementation of smart alarm w earable system for harm fu l gases in w ork field

Zeng Kai1，Xu Wujun1，2，Huang He3，Lin Jianqin1
（1.College of Information Science&Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.Engineering Research Center of Digitized Textile&Fashion Technology，Ministry of Education，Shanghai 201620，China；3.School of Engineering Innovation，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

In the mining industries or municipal construction fields，workers get poisoned or asphyxiation occur frequently because harmful gas exceeds in those working environment.This paper designs a smart alarm wearable system for detecting harm ful gases and giving operator feedback timely.This paper describes hardware and software designs.Hardware designs include master control platform and electrochemical gas（ECG）sensor modules，while software designs include master control platform program and Android platform.The system have the characters of small，portable，low cost and flexible in detecting gas species.It could monitor the gas concentration and alarm in time to protect the workers.

harm ful gases；electrochemical gas sensor；smart alarm；wearable system

TP23

A

1674-7720（2015）04-0070-03

（2014-09-27）

曾凱（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

許武軍（1972-），通信作者，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：智能服裝與穿戴系統(tǒng)，短距無線通信，嵌入式計算與機器視覺，衛(wèi)星導(dǎo)航與組合定位。E-mail：wujun.hsu@gmail.com。