余燕娟，高 翔

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學院電子工程學院，福建漳州363000；2.廈門大學附屬第一醫(yī)院，福建廈門361000）

甲醛會對機體組織產(chǎn)生刺激、致敏、致突變的影響[1]，是公認的致癌物質(zhì)之一，但甲醛也在化工、紡織、木材、防腐等工業(yè)的生產(chǎn)過程中有著重要的作用. 為了保證此類工廠生產(chǎn)過程中員工的健康，針對甲醛的計量進行連續(xù)性監(jiān)測以保證員工作業(yè)安全十分重要. 傳統(tǒng)的甲醛的檢測方法，如分光光度法、色譜法檢測周期長、操作難、專業(yè)性強[2]，難以做到高效快捷、快速推廣，同時也很難連續(xù)檢測. 目前多數(shù)用于甲醛快捷檢測方法存在一次只能監(jiān)測一點，且監(jiān)測多采用電化學傳感器，信號較弱易受干擾等的問題[3]. 為了更好地適應工廠的實際需求，分析發(fā)現(xiàn)甲醛監(jiān)測系統(tǒng)需要滿足如下條件：對甲醛實現(xiàn)精準計量檢測；檢測快速，系統(tǒng)穩(wěn)定，且檢測可重復；甲醛超標時可以進行干預處理；可以對工廠中多個點進行同時檢測；管理人員可以通過軟件對全部測試點進行管理. 對此，本文擬設計一種能實現(xiàn)這些功能的系統(tǒng)以完成對甲醛的監(jiān)測.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)設計要求，為實現(xiàn)多點甲醛的監(jiān)測，結(jié)合工廠甲醛檢測特點，系統(tǒng)采用了基于RS485 總線的分布式的控制結(jié)構(gòu)，拓展多路甲醛采集，實現(xiàn)了多個甲醛采集板的與中心控制板的通信網(wǎng)絡，完成了多個數(shù)據(jù)采集板的級聯(lián)[4-5]. 由納米傳感器采集的甲醛數(shù)據(jù)經(jīng)RS485 總線發(fā)送中央控制板，并經(jīng)過ESP8266模塊以Wi-Fi 形式發(fā)送服務器PC. 終端PC 機接收中央控制器傳送的數(shù)據(jù)并進行顯示、數(shù)據(jù)圖形化、報警等處理. 該甲醛檢測系統(tǒng)可對區(qū)域內(nèi)多個監(jiān)測點甲醛氣體濃度進行監(jiān)測和報警，并且給予通風排氣的動作，以便工廠人員及時了解和處理.

RS485 總線是工業(yè)級的總線標準，支持多點、遠距離、高靈敏度數(shù)據(jù)通信，傳輸速率快[6-7]，可將多個點甲醛監(jiān)測集成，節(jié)省各個分點軟件和硬件資源的浪費，實現(xiàn)遠程控制. 系統(tǒng)由PC、無線通信模塊、中央控制板、數(shù)據(jù)采集板、傳感器等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設計

2.1 中央控制板

系統(tǒng)的中央控制板主要以ARM 的STM32F103單片機為核心，STM32F103 是32 位高性能、低功耗單片機，具有72 MHz 的CPU，1MB 的Flash 主要完成與上下級之間數(shù)據(jù)、命令的接收和發(fā)送. 中央控制板與下一級通信接口為MAX485，二者使用Modbus協(xié)議進行通信.與上一級的通信通過ESP8266模塊，ESP8266 模塊內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議，支持串口通信，兼容3.3V 單片機，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳送，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示.

2.2 數(shù)據(jù)采集板

數(shù)據(jù)采集器以ADuC834 單片機為核心協(xié)調(diào)控制各個電路運行工作. 該系列單片機優(yōu)勢在于AD和DA，ADuC834 具 備16/24 位 高 速、高 精 度 的ADC，單通道12位軌到軌電壓輸出DAC.ADuC834完成對甲醛傳感器的信號獲取、報警輸出、甲醛信號傳遞、排氣系統(tǒng)控制等功能，并利用MAX485 完成RS485總線的電平轉(zhuǎn)換.數(shù)據(jù)采集板結(jié)構(gòu)見圖4.

ADuC834 的AD 電壓輸入范圍是±20 mV ～±2.56 V，傳感器輸出電壓(0.1 ～2.5) V，正好符合AD 輸入電壓范圍可以直接送入單片機內(nèi)部，模塊還設計了過壓保護電路，保護由于傳感器電壓波動造成過壓輸入. 單片機內(nèi)部運算甲醛值，如超標則做出聲、光雙重報警，并通過DA 對排氣系統(tǒng)實現(xiàn)開啟操作. 監(jiān)測的甲醛數(shù)據(jù)在ADuC834 進行編碼轉(zhuǎn)換，將二進制碼轉(zhuǎn)換成ASCII 碼，通過自定義Modbus通訊編碼由RS485總線發(fā)送出去[5].

圖2 中央控制板結(jié)構(gòu)方式圖

圖3 中央控制板硬件

圖4 數(shù)據(jù)采集板結(jié)構(gòu)框圖

2.3 甲醛傳感器

甲醛傳感器選擇是新型納米材料的甲醛傳感器NGTFS10a，是一種半導體甲醛氣體傳感器. 甲醛氣體可改變納米材料表面的電導率，其中其內(nèi)電阻的變化范圍為(10 ～250) kΩ. 該甲醛傳感器由恒流源供電，恒流源供電電路如圖5所示.

LM334 的恒流范圍為1 μA ～10 mA，計算公式如式（1），R12為13.4 kΩ，恒流源輸出為10 mA.

傳感器測量得到輸出電壓Vout變化為(0.1 ～2.5)V. 通過電壓與甲醛濃度關(guān)系函數(shù)y= 369ln(x+1.45)- 137，從而獲得甲醛濃度值，該傳感器對于甲醛有較高靈敏度和選擇性，可檢測的最小甲醛濃度為0.03 mg/m3，分辨率可達0.01 mg/m3.

圖5 恒流源電路

2.4 RS485總線設計

為了滿足系統(tǒng)多區(qū)域設計要求，采用RS485 總線擴展多個數(shù)據(jù)采集板，實現(xiàn)多個采集器級聯(lián). 分布式檢測的結(jié)構(gòu)特點，保證了多個甲醛點的同時檢測，簡化甲醛監(jiān)測設備，降低成本[6]. 設計選取MAX485 作為電平從TTL 轉(zhuǎn)RS485 總線的橋接芯片. RS485 總線通道選取的是雙絞線保證可靠傳輸. 控制系統(tǒng)中有兩部分電路需要使用MAX485 實現(xiàn)TTL電平與RS485的轉(zhuǎn)換，ADuC834單片機串口轉(zhuǎn)RS485 總線接口，另一個是STM32 連接總線轉(zhuǎn)換，其MAX485芯片接線情況如圖6所示.

圖6 MAX485接口電路

這里采用并接式二線制總線接口，當控制端口P2.2 或PA4_USART2_EN 為高電平時，通過TXD可發(fā)送數(shù)據(jù)，若為低電平，則RXD 接收數(shù)據(jù). 總線終端為了避免電平拉低連接10 kΩ 上拉電阻，為了避免線路浪涌干擾，在總線與地之間接入TVS 二極管，為了減少信號干擾，當通信距離超過500 m 時，在電路終端添加120 Ω 電阻，以達到阻抗匹配[7]. 電路圖如圖7所示.

2.5 報警輸出

當甲醛超標時，為了對正在工作的員工起到警示作用，每個終端采集器都設計兩種報警，即聲音報警和燈光警示. 總控制室的上層軟件設置有軟件報警. 圖8 為聲音報警電路. 甲醛監(jiān)測數(shù)據(jù)超過安全值，ADuC834 單片機P2.0 置為高電平，導通二極管D5，三極管導通蜂鳴器電路導通，發(fā)出報警聲，提示工人注意甲醛超標情況.

圖7 總線終端電路

圖8 聲音報警電路

為了協(xié)助聲音報警，同時設計光報警，其電路結(jié)構(gòu)如圖9所示.

圖9 光報警電路

光報警由單片機P2_1 端口控制，為了更好地提示，光源選擇了直徑為1 cm 的高亮二極管，因此利用Q3構(gòu)成了應的驅(qū)動電路. 單片機P2_1 控制燈光開啟與熄滅，以達到光報警.

2.6 無線通信模塊ESP8266

中央控制板與上層PC 選擇Wi-Fi 通信方式完成信號傳輸，完成信號Wi-Fi 轉(zhuǎn)換的電路模塊為ATK-ESP8266 模塊，該模塊具備有三種工作方式：COM-AP/COM-STA/COM-SP+STA[7]，即 可 從Wi-Fi 接收數(shù)據(jù)從串口輸出，還可串口接收數(shù)據(jù)以Wi-Fi 形式輸出，或者是兩者兼顧. 本文選擇COM-STA 模式，模塊作為無線Wi-Fi STA 用于將串口數(shù)據(jù)發(fā)送到連接設備. 用戶可以根據(jù)SOCKET AT 指令集對模塊的工作方式進行設置. ATKESP8266 模塊串口端波特率固定為115 200，允許5個用戶訪問[8-9]. 中央控制板接收采集板的數(shù)據(jù)利用SOCKET AT 指令，通過串口將數(shù)據(jù)傳送至ESP8266模塊，ESP8266 模塊內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議，與遠端PC 建立握手通信，完成遠程通信. 用戶Wi-Fi 通信模塊與STM32 單片機的接口連接方式如圖10 所示.STM32 的 發(fā) 送 端PA9_USART1_TX 接Wi-Fi 模 塊串口接收端，接收端PA10_USART1_RX 接Wi-Fi模塊數(shù)據(jù)發(fā)送端. 為了避免電流逆涌，還在Wi-Fi模塊的RX及TX端口沿數(shù)據(jù)流方向串聯(lián)二極管.

圖10 STM32與ESP8266模塊接線方式

2.7 排氣控制

排氣控制是為了改善甲醛計量超出安全值而設置的干預方式，當甲醛值超標時開啟排氣. 單片機ADuC834 的管腳P2_6 連接繼電器，在與排氣風扇的驅(qū)動電路連接，當P2_6 置為高電平時候，繼電器閉合，排氣風扇開啟.

3 程序設計

3.1 硬件程序及客戶端軟件設計

考慮程序的設計開發(fā)效率、可拓展性、維護便捷性，單片機程序采用的是模塊化的設計方法. 數(shù)據(jù)采集板根據(jù)功能區(qū)別分為排氣控制模塊、報警模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、通信模塊及主程序. 設備通電后，硬件設備進入主程序，程序流程圖如圖11 所示，完成ADuC834 單片機、LED 報警燈的初始化，傳感器進入預熱處理，隨后進入程序中斷等待狀態(tài)，當有中斷響應時候，進入中斷程序，完成數(shù)據(jù)分析及處理. 數(shù)據(jù)處理模塊流程如圖12 所示，對獲取的傳感器值進行AD 轉(zhuǎn)換，獲取甲醛數(shù)值，并與設定的甲醛安全計量值進行對比，判斷甲醛檢測值是否超標，如若超標就進入報警模塊和排氣控制模塊，并將測得甲醛信息通過串口總線發(fā)送出去. 如不超標直接發(fā)送串口總線. 其中通信模塊中的數(shù)據(jù)根據(jù)自定義Modbus通信協(xié)議進行編碼再發(fā)送.

圖11 主程序流程圖

圖12 數(shù)據(jù)處理模塊流程圖

遠程PC 客戶端軟件基于VC++平臺開發(fā)，采用了面向?qū)ο驝++的語言,利用MFC 框架設計模式，符合用戶熟悉窗口化界面的習慣，同時利用設計的多種圖形化類及PlotLab 實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，界面直觀明了，以使用戶快速獲取信息[10-11]. 運用小型嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite[12]，免去用戶安裝數(shù)據(jù)庫麻煩，零配置與應用程序有效結(jié)合，提高整個控制軟件的移植性、高效性、穩(wěn)定性. 系統(tǒng)經(jīng)附近家具廠進行測試后，軟件監(jiān)測界面如圖13 所示，當成品區(qū)的甲醛值超標時，報警燈由綠色變成紅色，同時文字提示位置及報警時間，給予用戶明確的警示.

圖13 系統(tǒng)監(jiān)控客戶端軟件

3.2 通信協(xié)議設計

本系統(tǒng)中央控制器與采集器的通信使用了Modbus 通訊協(xié)議進行可靠通信. Modbus 協(xié)議是用于總線型設備主-從設備之間通信[13].分布式多點甲醛進行監(jiān)測以中央控制板STM32 為主設備，各點采集板為從設備. Modbus 通訊協(xié)議有兩種握手方式：一問一答方式和廣播方式，此處設計選擇一問一答方式，即每次通訊由主設備發(fā)起詢問、從設備應答的形式. Modbus 協(xié)議有兩種數(shù)據(jù)格式RTU 和ASCII碼，設計選擇更易人類讀取的ASCII碼.主設備數(shù)據(jù)幀格式如表1所示.

表1 主設備下發(fā)命令格式

命令以標識符“：”(ASCII 碼為3AH)為起始，地址碼為數(shù)據(jù)從設備對應的編碼，根據(jù)甲醛監(jiān)測點的多少對監(jiān)測數(shù)據(jù)采集板從01H開始編碼，依次遞增；功能碼是通知從設備完成的動作對應的編碼，如10H 為讀取甲醛數(shù)據(jù)命令；0DH,0AH 為結(jié)束標識符，是這條命令的結(jié)尾，以避免問答協(xié)議造成從設備監(jiān)聽狀態(tài)引起響應總線沖突. 從設備ASCII 碼數(shù)據(jù)幀格式如表2所示.

數(shù)據(jù)幀以ASCII 模式通信，在消息中的每4 bit都作為一個ASCII 字符，甲醛監(jiān)測數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后兩位. 校驗方式為兩個字節(jié)的CRC 校驗，以保證數(shù)據(jù)正確性.

表2 從設備發(fā)送數(shù)據(jù)格式

4 測試與應用

選擇某家具廠作為系統(tǒng)的測試點，由于家具生產(chǎn)過程中需大量使用粘合劑、涂料等，這些材料均會釋放甲醛. 選取工廠中的多個地點進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測點工作特性將其分為材料區(qū)、切割區(qū)、組立區(qū)、包裝區(qū)、成品區(qū)五個區(qū)域，利用甲醛檢測儀對監(jiān)測點的甲醛進行實時監(jiān)測，同時利用無線網(wǎng)絡上傳控制室的控制軟件. 其中針對切割區(qū)用本系統(tǒng)進行測量的同時，也利用國家甲醛檢測標準AHMT 比色法隔一個小時進行甲醛采樣檢測，針對兩種測量方式進行10 小時數(shù)據(jù)對比，如表3 所示. 可見本系統(tǒng)甲醛濃度值檢測相對誤差小于3%，誤差主要可能是2 個原因：甲醛傳感器本身對于溫濕度的影響1% ～2%的漂移；納米傳感器不僅對甲醛氣體感應，同時也對一氧化碳、氨氣、乙醇、苯、甲苯等氣體敏感.

表3 測量數(shù)據(jù)

5 總結(jié)

多點甲醛連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)采用了具有高精度AD的單片機ADuC834獲取甲醛值，具備報警和排氣控制等干預功能，利用RS485 總線形式集成多個數(shù)據(jù)采集板，中央控制板完成Wi-Fi 方式傳輸數(shù)據(jù)到服務器監(jiān)控軟件，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡化、智能化控制.選取了甲醛容易超標的家具廠對系統(tǒng)進行測試，檢測點分別設在家具生產(chǎn)的不同車間，經(jīng)測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，為工廠員工及系統(tǒng)軟件監(jiān)管人員都起到很好的提醒作用. 同時發(fā)現(xiàn)排風系統(tǒng)可以有效改善甲醛的計量值，且溫濕度對于甲醛的釋放是有影響的. 該系統(tǒng)對于生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生甲醛的工廠進行實時多點甲醛監(jiān)測具有較好的實踐意義.