基于物聯(lián)網(wǎng)的VOCs檢測器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

彭琛 郭宗奎 閆國輝 李志明

摘 要：目前國家已加大對環(huán)境污染的整治力度，各市縣均設(shè)有超級空氣監(jiān)測站以監(jiān)測大氣污染。常用的有機(jī)物檢測方法有FID、NDIR、FTIR等方法，其中催化+NDIR因運(yùn)維費(fèi)用低、耗材成本低廉被廣泛使用。由于NDIR隨著時(shí)間的推移具有衰減性，為保證測得有機(jī)物數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，目前大部分廠家需要定期派工程師進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。本文中遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由客戶端APP、云平臺(tái)服務(wù)器、DTU、局域網(wǎng)無線USART、面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，可代替工程師遠(yuǎn)程對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，減少運(yùn)維人員90%出勤率，為公司節(jié)約人力及燃油成本，同時(shí)提高運(yùn)維效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；VOCs；環(huán)境監(jiān)測；遠(yuǎn)程控制

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）危害人體健康和生態(tài)環(huán)境，是較為復(fù)雜的一類污染物。近年來，我國部分地區(qū)區(qū)域性大氣污染問題日益突出，主要集中在酸雨、霧霾、光化學(xué)煙霧等方面。為解決這類區(qū)域空氣污染問題，我國“十二五”期間規(guī)劃NOx納入總量控制指標(biāo)，同時(shí)重點(diǎn)加強(qiáng)對VOCs的排放控制，在京津冀、長三角和珠三角等重點(diǎn)地區(qū)開展區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控措施[1]。同時(shí)在最新文件《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》指出，“十四五”期間，各地市在治理環(huán)境污染過程中加強(qiáng)區(qū)域協(xié)同治理，特別是加強(qiáng)對細(xì)微顆粒物及臭氧的治理，力爭改變現(xiàn)階段重污染天氣狀況[2]。揮發(fā)性有機(jī)物是指能夠參加大氣光化學(xué)反應(yīng)的任意有機(jī)化合物例如：一般的烷烴、乙炔、芳香烴類物質(zhì)，還有含氧有機(jī)物、醛酮、醇、醚、含碳有機(jī)物、含氮有機(jī)物、含硫有機(jī)物等；這些物質(zhì)是揮發(fā)后形成臭氧和PM2.5的主要前體物質(zhì)。VOCs主要來自于汽車尾氣污染、化工廢棄污染、廢棄物燃燒污染等，基于國家環(huán)保戰(zhàn)略需求，許多公司已經(jīng)研發(fā)出可以檢測VOCs含量的檢測設(shè)備，有的設(shè)備甚至可以對VOCs污染源進(jìn)行溯源定位。

1 國內(nèi)現(xiàn)狀

目前，從國內(nèi)外文獻(xiàn)研究，常用的VOCs檢測方法有：氣相色譜檢測技術(shù)、催化檢測技術(shù)、光譜檢測技術(shù)、電化學(xué)傳感器檢測技術(shù)。

1）氣相色譜檢測技術(shù)：氣相色譜是對氣體物質(zhì)或可以在一定溫度下轉(zhuǎn)化為氣體的物質(zhì)進(jìn)行檢測，分析先利用色譜柱分離待測組份，然后由選定的檢測器根據(jù)出峰位置，確定組分的名稱，根據(jù)峰面積確定濃度大小。氣象色譜法對環(huán)境條件變化相對不敏感，穩(wěn)定性好，適合做常量或微量的常規(guī)分析。

2）催化檢測技術(shù)：VOCs與催化劑中的氧反應(yīng)，造成催化劑中金屬氧化物被還原，然后，被還原的金屬氧化物又被氣相中的氧氣氧化，在催化過程中采用傳感器進(jìn)行采樣。

3）光譜檢測技術(shù)：光譜檢測法主要是以光的吸收、發(fā)射、拉曼散射等作用而建立的分析方法，通過光譜的波長和強(qiáng)度進(jìn)行定性、定量分析。光譜檢測法包括吸收光譜法、發(fā)射光譜法和散色光譜法3種類型。

4）電化學(xué)傳感器檢測技術(shù)：氣體一般具有活性化學(xué)性質(zhì)，其特點(diǎn)是具有還原性或氧化性。在化學(xué)反應(yīng)的過程中，電子釋放或吸收從而形成微弱電流，通過測量微弱電流可以獲得待測氣體濃度。其優(yōu)點(diǎn)是性能相對穩(wěn)定，缺點(diǎn)是電化學(xué)傳感器屬于耗材，使用壽命相對較短，維護(hù)成本相對較高。

無論采用上述任何一種檢測方法，其檢測系統(tǒng)都會(huì)包括電子傳感器或相關(guān)放大電路用于信號的采集及處理，由于電子元器件隨著時(shí)間、溫度、濕度具有衰減性及溫漂，所以，為了保證獲得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要定期派駐工程師去現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備的校準(zhǔn)以及耗材的更換。從實(shí)際情況來看，這種傳統(tǒng)操作方式效率低下、人工時(shí)間成本及車輛燃料費(fèi)用較高。基于上述現(xiàn)實(shí)情況，設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可代替工程師對VOCs檢測設(shè)備進(jìn)行操作，以達(dá)到對設(shè)備校準(zhǔn)目的。

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的開發(fā)

本系統(tǒng)主要由APP客戶端、云平臺(tái)、DTU、面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)4部分構(gòu)成。從圖1可以看出，面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的關(guān)鍵部分，本文主要介紹面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理及軟硬件設(shè)計(jì)。

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作原理：客戶端APP模擬了實(shí)際設(shè)備的鍵盤操作界面，客戶可通過APP選擇其中一個(gè)按鍵被按下，然后通過云平臺(tái)將指令傳送給DTU；DTU和面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過無線USART進(jìn)行通信，通信協(xié)議滿足Modbus RTU協(xié)議規(guī)范。當(dāng)面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得其中一個(gè)按鍵需要按下的指令后，首先MCU會(huì)查找這個(gè)按鍵的坐標(biāo)；主要包括X軸和Y軸步進(jìn)電機(jī)的行走步數(shù)，然后MCU通過算法對坐標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)并驅(qū)動(dòng)X、Y軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)同樣的步距，最后MCU驅(qū)動(dòng)Z軸電機(jī)執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作以模擬按鍵被按下的過程。

2.1 面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求可知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬件主要包括通信模塊、電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、MCU最小系統(tǒng)模塊，以下分別對這些模塊做詳細(xì)的介紹。

1）MCU最小系統(tǒng)模塊：本控制系統(tǒng)選取STM32F 103RBT6做主控芯片，其主頻為72 MHz、RAM為20 kB、FLASH為128 kB；其外設(shè)包括2路USART、1路CAN、51路IO；由于面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)程序中沒有較復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，其性能完全滿足開發(fā)需求。在設(shè)計(jì)MCU最小系統(tǒng)時(shí)首先將MCU相應(yīng)的電源引腳連接至3.3 V電源和GND；然后PIN5和PIN6連接8 MHz晶振和22 pF濾波電容；同時(shí)將PIN60（BOOT0）引腳拉低，表示單片機(jī)復(fù)位后，程序?qū)腇lash啟動(dòng)；最后將下載口引腳（JTCK、JTMS、RESET）擴(kuò)展出來用于程序的下載。同時(shí)在最小系統(tǒng)模塊中設(shè)計(jì)了LED電路和蜂鳴器電路用來表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行故障。

2）電源管理模塊：面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部供電電壓類型有12、5、3.3 V三種。其中12 V主要是給步進(jìn)電機(jī)供電使其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；5 V主要是給驅(qū)動(dòng)芯片及通信相關(guān)芯片進(jìn)行供電；3.3 V主要是給單片機(jī)進(jìn)行供電。對于12 V電源我們直接選用AC-DC電源成品（AC220 V輸入，DC12 V輸出），當(dāng)12 V電源接入到電路板后，首先連接一個(gè)慢斷保險(xiǎn)絲：當(dāng)負(fù)載或電機(jī)短路時(shí)可以快速切斷電源輸入；然后接1個(gè)NTC，防止后面負(fù)載過大造成驅(qū)動(dòng)模塊過快老化。12 V電源經(jīng)過LM2596SX-5.0芯片后轉(zhuǎn)化為5 V電源輸出；LM2596SX-5.0最大輸出電流為3 A，完全滿足電路板負(fù)載需求。5 V電源經(jīng)過AMS1117-3.3芯片轉(zhuǎn)化為3.3 V輸出，主要給最小系統(tǒng)模塊進(jìn)行供電。

3）通信模塊：面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)和DTU通過無線USART模塊進(jìn)行通信，其通信協(xié)議滿足Modbus RTU規(guī)范。同時(shí)我們擴(kuò)展1路CAN用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的程序在線升級，擴(kuò)展2路USART用于和電腦進(jìn)行離線數(shù)據(jù)上傳及調(diào)試。在這里選擇MAX232D芯片，將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232信號；選擇TLE8250芯片，將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485信號。

4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要通過X、Y、Z軸3個(gè)步進(jìn)電機(jī)代替人手對設(shè)備面板進(jìn)行操作，之所以選擇步進(jìn)電機(jī)主要是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具有驅(qū)動(dòng)簡單、精度可控的優(yōu)勢。首先我們選用2個(gè)SN74LVC4245DW電平轉(zhuǎn)換芯片用于3.3 V和5 V電平信號的轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換后連接至A4988模塊進(jìn)而對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，在這里我們沒有選擇H橋電路而是選擇集成IC來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，主要是因?yàn)榧蒊C具有MOS過熱關(guān)閉功能、母線欠壓鎖定、加載短路保護(hù)等功能，當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障可及時(shí)有效的進(jìn)行保護(hù)。

2.2 面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用A4988集成模塊來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)只要兩個(gè)IO口用于控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方向和驅(qū)動(dòng)脈沖即可；執(zhí)行機(jī)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)分為底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)，底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)基于C語言程序代碼編寫，其主要包括2路USART的驅(qū)動(dòng)配置、1路CAN配置、3路A4988驅(qū)動(dòng)模塊IO口配置。應(yīng)用層主要包括LED及蜂鳴器故障報(bào)警處理、Modbus RTU協(xié)議解析、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制；應(yīng)用層采用基于模型設(shè)計(jì)（MBD）開發(fā)模式，同時(shí)我們編寫M腳本語言可實(shí)現(xiàn)：

1）模型數(shù)據(jù)參數(shù)一鍵導(dǎo)入至Simulink工程；

2）定義并導(dǎo)入相關(guān)環(huán)境參數(shù)；

3）生成模型C代碼；

4）生成Keil工程相關(guān)接口代碼；

5）將生成的.h和.c文件拷貝至Keil工程指定文件夾下；

6）編譯Keil工程并生成相關(guān)Hex文件。

2.3 成型實(shí)物調(diào)試

首先我們將面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝至設(shè)備面板上并通過無線串口模塊和DTU進(jìn)行通信。然后我們通過相關(guān)客戶端上位機(jī)配置DTU連接至指定Wi-Fi，確保DTU可以鏈接至遠(yuǎn)程的服務(wù)器；最后我們通過客戶端App操作相應(yīng)的虛擬按鍵以遠(yuǎn)程控制VOCs設(shè)備面板相應(yīng)的按鍵被按下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示我們通過客戶端App可以隨意的操控任何一個(gè)按鍵執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對VOCs檢測設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，工程師可遠(yuǎn)程對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)、維護(hù)，減少運(yùn)維人員出勤率，為公司節(jié)約人力及燃油成本，同時(shí)提高運(yùn)維效率。本系統(tǒng)已在相關(guān)的空氣超級工作站進(jìn)行耐久性測試，目前正常工作。在調(diào)試過程中我們也發(fā)現(xiàn)其它問題：當(dāng)以太網(wǎng)絡(luò)較差時(shí)，客戶端到面板執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)有較大的延時(shí)，降低了體驗(yàn)感；當(dāng)以太網(wǎng)絡(luò)因其它原因中斷后，無法遠(yuǎn)程對VOCs檢測設(shè)備進(jìn)行控制，這些問題我們后續(xù)會(huì)繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。

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