NFC探氣儀的設計與研究

鄭瑞蘭 張宗權 韋夢佳 梁建奇 胡世云

摘 要：本文設計了一款便捷、節能的氣體探測儀。檢測儀通過氣體感應器對空氣中的氣體濃度進行檢測，分析氣體成分并將標準氣體濃度和實測氣體濃度進行比較，從而有效鑒別有害氣體，并將檢測結果通過NFC傳遞給軟件終端，時時監控空氣中的氣體濃度。更早地發現氣體泄漏事件，做好預防。本檢測儀具有體積小、功耗低、精確度高、響應速度快等特點，可以廣泛地應用于環保、家庭環境監控等行業。

關鍵詞：便攜；節能；檢測儀；報警；氣體

一、 引言

現如今，環境污染日益嚴重，其中氣體污染對人們健康造成的威脅也越來越深。氣體污染無時無刻不在發生著，我們可能無法阻止氣體污染的發生，但是我們可以盡可能地去降低氣體污染的發生概率。隨著工業化的不斷發展，人們在日常生活中會遇到各種危險源，其中就包括有害氣體。隨著人們環境保護意識的不斷增加，人們對氣體污染、氣體環境檢測也提出了越來越高的要求。

然而，目前國產的氣體檢測儀普遍存在選擇性、穩定性差且離散性較大等缺陷。采用NFC（藍牙）傳輸信息及時報警，具有穩定性高、壽命長、檢測氣體種類多，并且在較低濃度下即可檢測、受環境干擾因素較小等明顯優點。檢測簡單氣體，通過顯示屏顯示氣體名稱；及時發現危險氣體，給予警報，避免意外發生。

二、 產品的特點和優勢

本產品不僅能夠應用于工業檢測，在民用方面，也能給予無嗅覺的人認識氣味的可能，并且在家庭中及時發現煤氣泄漏，防止意外發生，特別是只有孤寡老人或年幼小兒在家的時候，能大大提高安全指數，在醫學方面也有很大用途。其特點在于：能幫助無嗅覺的人知道氣體；及時發現危險氣體，給予警報，避免意外發生；藍牙式信息發送通知具有先進性和創新性；并且本產品具有硬件組成簡單、讀數方便、準確度高、選擇性好、可靠性高、不依靠于氧氣、安全系數高、壽命長及使用簡單明了等優點。并且我們的產品成本低廉，我們產品中的傳感器使用的是碳納米管化合物芯片，蒂莫西·斯瓦格（Timothy Swager）曾以第一作者的身份在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上發表了一篇論文，詳細介紹了這種傳感器。這種傳感器在5秒內就能檢測到10 ppm（parts per million，百萬分率）的有毒氣體。據蒂莫西·斯瓦格（Timothy Swager）介紹：“1克碳納米管原材料就可以制作400萬個這種傳感器，成本僅需5美分！”核心部件的芯片價格低廉，也帶動著整個產品成本價格的全民化。

三、 產品主要部件功能簡介

（1）碳納米管化合物芯片：碳納米管具有表面積小、機械強度高、硬度大、熱穩定性高、吸附特性及特有的電學特性等性質。

（2）點陣式液晶顯示屏：實現漢字顯示，便于消費者知曉氣體名稱。

（3）泵氣口：可以很好地增加氣體流量，在相同時間下，儀器過濾更多氣體，使得設備靈敏度得以提升。

（4）蜂鳴器播音孔：當檢測到危險氣體濃度達到用戶所設置標準時，給予報警提醒。

（5）無線藍牙：無線藍牙傳輸技術實現了固定設備或移動設備之間的通信，環境建立通用的無線電空中接口（Radio Air Interface），將通信技術與計算機技術進一步結合起來，通過藍牙傳輸，實現遠距離報警效果。

四、 產品設計思路與原理

本產品通過分析氣體成分及將標準氣體濃度和實測氣體濃度進行比較，從而有效鑒別有害氣體，及時報警，客觀指示。本產品傳感器的電路集成在高導電率的碳納米管上，產品外部包裹一層絕緣材料。當傳感器暴露于有毒氣體之中，外部絕緣材料會受腐蝕而緩慢分解，碳納米管的導電性則隨之急劇上升。主控制器通過對簡單氣體中的分子大小及組成進行分析，發送氣體信息至儀器中的控制芯片，通過微電子和強大的數據庫判斷該氣體，用語音或顯示器讓人們知道該氣體。氣體檢測儀通過將氣體傳感器采集的物理或者化學非電信號轉化為電信號，再通過外部電路對以上電信號整流、濾波等處理，并通過這些處理以后的信號控制相應的模塊，實現氣體探測的各項具體功能。

NFC探氣儀程序設計思路：進入主程序后，首先對控制器進行初始化，包括I/O口初始化、氣體傳感器初始化等。初始化后，判斷儀器是否和可移動式軟件進行了藍牙配對，藍牙配對成功后，控制器打開基本傳感器，然后進入while（1）主循環。在主循環中刷新LCD液晶屏顯示，然后檢查是否需求報警，若需要則出報警信息，若不需要則進入睡眠模式。如果有中斷請求，則進入相應的中斷處理程序，完成中斷處理程序后重新回到while（1）主循環。程序通過中斷處理、程序完成液晶屏顯示、按鍵掃描以及報警處理等操作。程序在while（1）循環等待時，微控制器進入低功耗模式，關閉CPU，節省電能。當有按鍵操作或者定時器中斷請求時，微控制器從低功耗模式下喚醒，進入活動模式。

五、 產品還存在的不足

目前我國在該產品方面有以下缺點：產品質量不高、性能不穩定，一致性較差，故障率高、研究開發能力較低，在線監測儀器的系統配套生產能力較低，不能適應市場的需要。

六、 結語

目前市場上出現的設備只能檢測單一氣體，且在非實驗室條件下，因為氣體比較分散、劑量水平低等問題使得設備并不具有實驗室測試條件下的靈敏度。而我們的設備可以檢測不僅僅一種人體無法識別的氣體，且我們產品中的泵氣孔可以很好地增加氣體流量，在相同時間下，儀器過濾更多氣體，使得設備靈敏度得以提升。當前市場很缺少我們這種功能齊全的設備，當設備出現在社會市場，社會需求量還是很大的。

而我們的產品采用NFC（藍牙）傳輸信息，報警及時，且具有穩定性高、壽命長、檢測氣體種類多，并且在較低濃度下即可檢測、精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依靠于氧氣、受環境干擾因素較小等明顯優點。這些優點將在未來逐步成為市場主流。（指導老師：徐傳友）

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作者簡介：鄭瑞蘭，張宗權，韋夢佳，梁建奇，胡世云，安徽省阜陽市，阜陽師范學院數學與統計學院。