在高溫環境下實現基于GPRS網絡的二氧化碳在線監測

吳錚　袁藝　劉奕

摘 要 近年來，隨著世界人口劇增和各國工業的迅猛發展，大氣中的二氧化碳濃度逐年升高，為了有效的對二氧化碳排放進行及時而準確的監測和控制，文章介紹一種適用于高溫環境下二氧化碳在線監測的系統，由于利用了無線傳感網絡在空間距離上的絕對優勢，該系統能夠跨區域、準確地對高溫環境中二氧化碳氣體的排放量實時監測，并利用單片機處理收集到的數據、無線發射模塊DTU傳輸數據、電腦終端接收數據，動態、立體的地呈現出小環境二氧化碳的排放情況。

【關鍵詞】高溫環境 二氧化碳 傳感器 無線傳感網

1 引言

工業的迅猛發展導致了化石燃料的大范圍使用，大氣中的二氧化碳濃度也在逐年升高。研究表明，大氣中二氧化碳濃度的升高會對人類健康會產生極大的威脅。因此，必須對二氧化碳排放進行監測和控制。然而對于某些特殊復雜環境中的二氧化碳監測顯得十分棘手，這迫使我們進一步探索有效的監測理論和方法，研發適應不同環境有著特殊需求的監測儀器。計算機以及微電子技術的快速發展和進步使得小型化、集成化、智能化的二氧化碳濃度監測系統得以成功研制。

2 國內外研究現狀

目前，國內外所研究的高溫環境下二氧化碳檢測的重點主要放在對排氣管道內二氧化碳的考察。國內目前主要采用人工取樣法，利用微生物捕集管道中的空氣樣本，監測二氧化碳氣體的濃度。該方法操作復雜，檢測周期長，無法動態實時地完成監測。還有的方法利用奧式氣體分析器，配合硫吸收液，連續、分別測定二氧化硫和二氧化碳，但該方法同樣操作復雜，而且無法實時監測二氧化碳濃度。國外主要用建立監測站的方法進行監測，但監測成本高，設備線路容易受到氣體腐蝕而破壞，無法實現在線監測。

3 監測系統構成和工作原理

3.1 設備結構

監測裝置主要分為采樣部分、分析部分和連接管道。

3.1.1 采樣部分

測試部分是放置于高溫環境內部的監測單元，以獲取氣體樣本為目的，用以進一步分析監測數據。內有S型皮托管、熱敏電阻溫度計。由于排氣管道中存在大量煙塵、煤焦油等污染物，工作環境相當惡劣。為保證各部分在此環境中正常工作，本系統的測試部分使用了S型防堵皮托管，該皮托管適用于高溫、多粉塵空氣和高流速的風速測量，皮托管搭配風壓儀可測量管道內氣體流動的動壓并計算風速和風量。為避免電器元件受到高溫的影響，與皮托管相配套的測試電路板放置在信號箱，與皮托管之間用耐高溫軟管穿過連接管道相互連接，測壓儀的電路板采用RS-485接口和單片機連接，用于傳輸電信號。

3.1.2 分析部分

分析部分主要肩負測量高溫環境中氣濕度和所含二氧化碳氣體濃度，并將所有設備所有傳感器監測到的數據匯總，傳輸給單片機進行處理，單片機再將數據打包發送給無線數據傳輸單（DTU），最后DTU將數據打包發送給遠程終端。由于剛采集到的高溫環境中氣樣本溫度較高，氣體在測量濃度前需要降溫，否則極可能燒壞傳感器。本設備利用蛇形銅管進行物理降溫，通過增加盤旋銅管的匝數，擴大與大氣接觸表面積，增加氣體傳冷卻時間。分析部分內有一空心長方體。體壁較厚，利于導熱；體內空心，用于放置濕度傳感器和二氧化碳濃度傳感器；長方體兩端蓋上分別有進氣孔和出氣孔，信號箱中的空氣泵把經過上述降溫過程后的樣本氣抽入長方體內，進行數據測量，測量過后的氣體被抽出分析部分。

模塊中的數字溫濕度傳感器，應用數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保具有極高的可靠性和長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與高性能8位單片機相連接，響應快、抗干擾能力強。

在所有參數測試完畢后，各路數據匯總到MCS-80C51單片機，其中濕度傳感器與單片機之間采用單總線協議連接。80C51單片機屬于MCS-51系列的單片機 ，由于性能滿足數據采集及精度的要求，而且該產品價格低廉，應用也很成熟，故采用來作為該系統控制核心。單片機把處理好的數據發送至DTU，DTU配合電腦終端上的無線網卡，利用GPRS網絡傳輸監測數據。

設備中的用電器材均通過穩壓電路供電，穩壓電路在一塊比單片機電路板稍大的電路板上（以下稱大電路板），該電路板上還接收風壓儀發出的電信號，其中風壓儀用RS485串行接口和電路板連接，PT100熱敏電阻傳感器采用A/D轉換器接口和電路板連接。大電路板由信號箱內的交直流穩壓電源提供電壓，該電源輸入電壓：AC 220V±10 %，輸出電壓：DC 0-15V，0-30V。

3.1.3 連接管道

測試箱和信號箱由信號管相連。信號管是一根不銹鋼管，為避免燒壞線路，導氣管和導線分開安置。

3.2 數據接收處理單元

利用網絡通信技術接收到監測設備發送來的數據之后，客戶端的電腦首先進行解析：把數據選擇、分類、按不同物理量整理好。整理好的數據傳輸給數據庫存儲起來，然后電腦上的程序軟件從數據庫中讀取各種數據，并動態、實時地展示出來。

4 總結

該系統能夠跨區域、準確地對高溫環境中二氧化碳氣體的排放量實時監測，并利用單片機處理收集到的數據、無線發射模塊DTU傳輸數據、電腦終端接收數據，動態、立體的地呈現出小環境二氧化碳的排放情況，能夠有效的對二氧化碳排放進行及時而準確的監測和控制。

參考文獻

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作者簡介

吳錚（1992-），男。中國礦業大學信息與電氣工程學院電氣工程及自動化。

作者單位

中國礦業大學 江蘇省徐州市 221006