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測水平，實時監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測中心。測試結果表明，本監測系統數據準確，運行穩定，能實現對空氣中一氧化碳濃度的實時監測，具有較高的實用性，可用于日常性和突發性的空氣污染監測。

　　關鍵詞：ARM ；一氧化碳；實時監測；GPRS

0引言

　　隨著我國經濟的不斷發展，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，對血液循環系統造成損害，甚至危害生命。在冶金廠、發電廠、化工廠等工業場所，甚至是普通居民家中都會發生CO濃度超標的情況，因此有必要設計一個能對空氣中的CO進行實時監測［12］，采集各地區空氣中CO的濃度并將所采集的數據進行傳輸匯總的系統，及時了解不同地區空氣中CO濃度的情況，超標時進行報警提醒［3］，以便環保部門及時進行污染處理。

1監測系統總體方案設計

　　本監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33 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器，能同時為5 V和33 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測地點，監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出警報，以便工作人員發現并及時處理,方便環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送到監測中心，數據的發送和接收均通過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濃度監測的控制核心。軟件包括監測程序、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 90作為主機開發環境，使用armlinuxgcc341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測中心發送，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濱河路附近某小區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01 ppm，也就是說能測到的最小量程為0125 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濃度進行實時動態監測，且體積小、功耗低、成本少，采用太陽能電池供電具有低功耗、綠色環保的優點。系統監測穩定、實時測量準確，數據遠程傳輸，不但能對城市環境中的CO進行監測，還可用在發電廠、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保推廣價值。

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