基于LoRa 技術的礦用無線一氧化碳傳感器設計

苗可彬

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

根據電化學原理設計的一氧化碳傳感器具有響應速度快、檢測精度高、選擇性好等優點，被廣泛應用于煤礦、化工、冶金等工業場所的一氧化碳濃度檢測。《煤礦安全規程》[1]及《AQ1029-2019 煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范》[2]中明確要求，開采自燃或容易自燃的煤層、自燃發火觀測點、封閉火區防火墻、采區回風巷等地必須安裝一氧化碳傳感器。目前，一氧化碳傳感器多采用三電極電化學敏感元件，使用前置高阻抗、低失調電壓的運算放大器[3]進行信號放大及濾波處理，電路信噪比不易提高，增益調整不靈活。同時，傳感器多采用有線通信方式，存在抗干擾能力低，布線繁瑣的問題[4]。隨著工業自動化、智能化的快速發展，大型機電設備、高頻電子設備被廣泛應用于上述工業場景，而這些設備極易產生浪涌、電快速脈沖群、電磁輻射等干擾信號，通過線纜傳導到傳感器設備上，影響一氧化碳檢測的準確性和可靠性[5]，對一氧化碳傳感器硬件電路的抗干擾能力和傳輸方式提出了更高要求。

鑒于此，研究設計了一種以LoRa 無線組網技術為基礎[6]，采用MSP430F2013 單片機的低功耗無線一氧化碳傳感器[7]，利用單片集成電路即可完成信號的放大、模數轉換及軟件濾波，LoRa 無線組網模塊用于完成無線傳輸，滿足一氧化碳傳感器的低功耗、高精度、高抗干擾能力的監測要求，提升煤礦安全監測監控技術水平，提高系統運維的高效性與智能性。

1 傳感器硬件電路設計

傳感器信號處理部分采用模塊化設計，主控制器采用TI（德州儀器）公司的MSP430F2013 單片機[8]，它具有以下結構特點：擁有16 位RISC 指令集架構的CPU，具備16 位寄存器和常數發生器，執行效率符合設計要求；通過數控振蕩器（DCO）的切換調整，從低速休眠模式切換到高速正常模式的時間不超過2 μs；具備同步通信協議（SPI 或者I2C）及一個16 位ADC。此款單片機專為低功耗應用設計，當系統時鐘在1 MHz 的條件下時，系統的工作電流不大于250 μA，而待機模式的工作電流僅為0.5 μA，其低功耗特性尤其適用于煤礦井下在保持本安特性的條件下需要長續航能力、遠距離傳輸的儀器儀表。硬件電路主要模塊由電池充放電控制電路、信號檢測電路、信號處理電路、顯示和報警電路、喚醒電路、遙控調校電路以及LoRa 無線組網模塊等部分組成。其硬件總體結構框圖如圖1 所示。

圖1 傳感器硬件結構框圖

1.1 信號檢測電路設計

文中的電化學一氧化碳敏感元件選用英國city 公司的三電極元件4CM[9]，4CM 的典型靈敏度為65 nA/ppm，T90 響應時間不大于30 s，標稱最大測量量程為2 000 ppm。4CM 工作穩定性較好，在煤礦井下有多年的現場應用案例。

在典型的三電極電化學一氧化碳敏感元件應用中，當一氧化碳擴散到元件，通過一層薄膜后在工作電極(S)引起反應。恒電位電路檢測參考電極(R)的電壓，電流輸出給輔助電極(C)，使參考電極端與工作電極端之間的電壓保持恒定。由于參考電極端無電流流進或流出，因此流出輔助電極端的電流流進工作電極端，該電流與通入的氣體濃度成正比[10]。對于一氧化碳氣體，發生的是氧化反應，C 端電流為負值。該電流通過高輸入阻抗的電流放大電路，直接輸出電壓Vout 供后續電路采集處理。信號檢測電路如圖2 所示。假定待檢測的一氧化碳濃度為P，4CM 靈敏度為65 nA/ppm，則有Vout=65P*R4，從 而得出濃度值P=Vout/65R4。

圖2 信號檢測電路

在圖2 信號檢測電路中，由于4CM 敏感元件內阻較大，輸出電流為nA 級別，因此要求偏置電路具有極低的輸入失調電壓，電流放大電路具有極高的輸入阻抗[11]。文中選擇高阻抗運算放大器OPA177G搭建偏置電路和放大電路，其最大失調電壓不超過25 μV，最大溫漂0.3 μV/℃，采用雙極性晶體管輸入方式，共模輸入阻抗200 GΩ，輸出電壓擺率較高，完全能夠滿足設計要求。

由于制造工藝的差異，4CM 敏感元件靈敏度存在一致性問題，導致電路放大增益需要根據敏感元件的輸出特性做調整。為解決該問題，可使用可編程變阻器AD5271 替代固定增益電阻R4，利用單片機將AD5271 設置為適當的電阻值，即可使用相同的電路結構和參數適應不同的敏感元件。AD5271 的溫度系數為5 ppm/°C，溫度影響較小，靜態電流為1 μA，滿足文中對傳感器低功耗的設計[12]。

1.2 信號處理電路設計

對于檢測到的電化學敏感元件小信號，通常需要采用放大電路將信號放大至足夠大，利用A/D 轉換器處理后，傳輸至主控制器進行信號處理，由于電化學元件輸出信號極小，造成信噪比難以提升。如圖3 所示，文中采用MSP430F2013 進行小信號的檢測、放大及數據處理，其具有很高的集成度，單片即可完成信號的放大、模數轉換及軟件濾波，同時利用串行信號與主控制器通信。從檢測電路采集到的電壓信號經過可編程增益放大器進行放大，隨后進入單片機內部的16 位AD 進行模數轉換。

圖3 信號處理電路

1.3 LoRa無線組網模塊設計

LoRa 是由Semtech 公司提供的基于1 GHz 以下的超長距低功耗數據傳輸技術（LoRa）。核心部分采用基于ARM 系列單片機和SX1278 芯片設計的無線模塊[13],如圖4 所示。圖中的U1 是濾波器，用于濾除規定頻帶以外的信號；C7、L1、C5作為阻抗匹配，用于提高負載能力；L3、L4是壓控振蕩器電感，用于調整電感值，從而改變系統工作頻率；R2、C13、C14形成鎖相環電路，用于保持輸入信號的相位。無線模塊與單片機采用SPI 總線協議進行通信。

圖4 無線組網電路

1.4 顯示驅動電路設計

文中采用廣州周立功單片機發展有限公司生產的ZLG7289 作為顯示驅動芯片[14],該芯片具有SPI 串行通信接口，可同時驅動8 位共陰式數碼管。圖5 為ZLG7289 驅動的4 位共陰式數碼管顯示電路，該電路通過SPI 總線與主控制器通信，控制數碼管的段選與位選，采用四位數碼管顯示一氧化碳氣體的濃度數值。

圖5 傳感器數碼管顯示電路

1.5 喚醒電路設計

為實現傳感器低功耗應用，文中采用礦燈光照喚醒單片機設計[15]，喚醒電路如圖6 所示。P1.2 為單片機外部中斷口，D17 為光電二級管，在井下黑暗條件下，D17 為高阻態，流過R37的電流小于1 μA，因此三極管Q12 基級電壓低于0.8 V，處于截止狀態，P1.2端口電壓為高電平，單片機處于休眠狀態，數碼管熄滅；當井下礦燈照射后，流過D17 的電流逐漸增大，使Q12 飽和導通，P1.2 由高電平變為低電平，觸發單片機外部中斷，單片機被喚醒，數碼管亮起，顯示測量數據。

圖6 喚醒電路

2 傳感器軟件設計

傳感器軟件采用C 語言編程及模塊化程序設計方法，由主程序、運算處理模塊、片外存儲器讀寫模塊、遙控中斷模塊、標校模塊等部分構成。標定參數存放在片內256 字節的FLASH 中，遙控中斷模塊用來處理遙控器發出的標定數據，并進行參數標定、報警點設置、分級報警設置等操作。軟件的主要功能包括一氧化碳傳感器的標定、數字濾波參數調整、儀器復位、濃度檢測數據顯示及輸出。傳感器軟件流程圖如圖7 所示。

圖7 傳感器程序流程圖

3 實驗測試

為驗證一氧化碳傳感器檢測數據的準確性和穩定性，按照行業標準《AQ6205-2006 煤礦用電化學式一氧化碳傳感器》的要求，分別對3 臺傳感器樣機進行了基本誤差實驗[16]，并通過監測傳感器工作電流驗證傳感器的功耗。

3.1 基本誤差實驗

一氧化碳傳感器按照標準要求分別通入20 ppm、350 ppm、500 ppm、750 ppm 氣體，待傳感器穩定后，記錄顯示數據。取連續3 次測值的算術平均值作為一氧化碳測定點的測定結果。由表1 的測試數據可知，3 臺樣機在20 ppm 時的最大誤差為1 ppm，在350 ppm 時的最大誤差為5 ppm，在500 ppm 時的最大誤差為2 ppm，在750 ppm 時的最大誤差為11 ppm，符合行業標準要求。

表1 傳感器基本誤差測試(單位:ppm)

在溫度為40 ℃，相對濕度為98%的條件下，一氧化碳傳感器持續放置12 天。實驗后，在正常工作環境下放置2 h 后，進行絕緣電阻和工頻耐壓實驗，再測定傳感器的基本性能。該實驗用以驗證傳感器在濕度較高環境下的基本性能。

實驗后測定傳感器的基本誤差，樣機一的基本誤差最大值在750 ppm 處，為14 ppm；樣機二的基本誤差最大值在750 ppm 處，為9 ppm；樣機三的基本誤差最大值在350 ppm 處，誤差為8 ppm。3 臺樣機基本誤差均符合行業標準要求。

3.2 功耗評估實驗

本項測試利用福祿克P7401BDC 電能質量分析儀，在工作過程中，通過監測傳感器整機在睡眠時段、監聽時段、發送時段和喚醒采集顯示時段的瞬時工作電流和平均工作電流，評估整機在正常工作時的功耗。

根據省電模式功耗的4 個階段，其電流分別為I1、I2、I3、I4，工作時間為T1、T2、T3、T4。當喚醒端不發送數據喚醒時，綜合靜態功耗計算方法為：

（I綜合）=I1*T1+I2*T2+I3*T3+I4*T4

1）休眠時段電流如圖8 所示，休眠時段整機電流穩定在1.13 μA。

圖8 休眠時段電能

2）偵聽時段功耗如圖9 所示，幀聽時段分為兩部分：第一段為前導碼廣播時段，每次5 ms，峰值電流為14.53 mA；第二段為通信握手時段，每次4 ms，峰值電流為9.75 mA。偵聽時段電流計算為：

圖9 偵聽時段電能

3）發送時段功耗如圖10 所示，發送時段分為兩部分：第一段為數據碼時段，每次11 ms,峰值電流為15.43 mA；第二段為校驗和恢復休眠命令時段，每次7 ms，峰值電流為9.74 mA。發送時段電流計算為：

圖10 發送時段電能

4）喚醒顯示時段功耗如圖11 所示，喚醒時段分為兩部分：第一段為喚醒啟動時段，每次3 ms，峰值電流為15.64 mA；第二段為穩定顯示時段，每次2 ms，峰值電流為9.65 mA。喚醒顯示時段電流計算為：

圖11 喚醒顯示時段電能

根據各時段的測試數據，通過計算工作時間與休眠時間占空比對電流進行加權平均計算，得出傳感器功耗為45.65 mA*ms。

4 結束語

文中分析了一氧化碳氣體濃度檢測的原理及方法，提出了基于單片機內部集成電路的信號處理電路設計思路，通過單片機內部集成電路完成信號的放大、模數轉換，提高了傳感器設計的集成度及信噪比；結合LoRa 無線組網模塊實現煤礦井下一氧化碳濃度的在線監測和無線傳輸。在實驗室條件下，進行了傳感器基本誤差、功耗評估兩項實驗驗證，充分證明了設計的一氧化碳傳感器具有檢測實時準確、功耗低等特點，提高了煤礦、化工、冶金等工業場所一氧化碳氣體監測的準確性，有利于煤礦安全生產。