基于物聯(lián)網(wǎng)的VOCs檢測器遠程控制系統

揮發(fā)性有機物（VOCs）危害人體健康和生態(tài)環(huán)境，是較為復雜的一類(lèi)污染物。近年來(lái)，我國部分地區區域性大氣污染問(wèn)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(lèi)區域空氣污染問(wèn)題，我國“十二五”期間規劃NOx 納入總量控制指標，同時(shí)重點(diǎn)加強對VOCs 的排放控制，在京津冀、長(cháng)三角和珠三角等重點(diǎn)地區開(kāi)展區域大氣污染聯(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)濟和社會(huì )發(fā)展第十四個(gè)五年規劃和2035 年遠景目標的建議》指出，“十四五”期間，各地市在治理環(huán)境污染過(guò)程中加強區域協(xié)同治理，特別是加強對細微顆粒物及臭氧的治理,力爭改變現階段重污染天氣狀況^[2]。揮發(fā)性有機物是指能夠參加大氣光化學(xué)反應的任意有機化合物例如：一般的烷烴、乙炔、芳香烴類(lèi)物質(zhì)，還有含氧有機物、醛酮、醇、醚、含碳有機物、含氮有機物、含硫有機物等；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(lái)自于汽車(chē)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含量的檢測設備, 有的設備甚至可以對VOCs污染源進(jìn)行溯源定位。

1   國內現狀

目前，從國內外文獻研究，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出峰位置，確定組分的名稱(chēng)，根據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，穩定性好，適合做常量或微量的常規分析。

2）催化檢測技術(shù)：VOCs 與催化劑中的氧反應, 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(guò)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(guò)光譜的波長(cháng)和強度進(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(lèi)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)反應的過(guò)程中, 電子釋放或吸收從而形成微弱電流，通過(guò)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,維護成本相對較高。

無(wú)論采用上述任何一種檢測方法，其檢測系統都會(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(zhù)時(shí)間、溫度、濕度具有衰減性及溫漂，所以，為了保證獲得數據的準確性，需要定期派駐工程師去現場(chǎng)進(jìn)行設備的校準以及耗材的更換。從實(shí)際情況來(lái)看，這種傳統操作方式效率低下、人工時(shí)間成本及車(chē)輛燃料費用較高?；谏鲜霈F實(shí)情況，設計了一種遠程控制系統，可代替工程師對VOCs 檢測設備進(jìn)行操作，以達到對設備校準目的。

2   遠程控制系統的開(kāi)發(fā)

本系統主要由APP 客戶(hù)端、云平臺、DTU、面板執行機構4 部分構成。從圖1 可以看出，面板執行機構是實(shí)現設備遠程校準的關(guān)鍵部分，本文主要介紹面板執行機構的工作原理及軟硬件設計。

圖1 系統總體結構框架

遠程控制系統工作原理：客戶(hù)端APP 模擬了實(shí)際設備的鍵盤(pán)操作界面，客戶(hù)可通過(guò)APP選擇其中一個(gè)按鍵被按下，然后通過(guò)云平臺將指令傳送給DTU；DTU和面板執行機構通過(guò)無(wú)線(xiàn)USART 進(jìn)行通信，通信協(xié)議滿(mǎn)足Modbus RTU 協(xié)議規范。當面板執行機構獲得其中一個(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；主要包括X 軸和Y 軸步進(jìn)電機的行走步數，然后MCU 通過(guò)算法對坐標進(jìn)行校準并驅動(dòng)X(jué)、Y 軸電機轉動(dòng)同樣的步距，最后MCU 驅動(dòng)Z 軸電機執行相關(guān)動(dòng)作以模擬按鍵被按下的過(guò)程。

圖2 MCU最小系統模塊硬件電路

2.1 面板執行機構硬件設計

根據功能需求可知, 執行機構硬件主要包括通信模塊、電源管理模塊、電機驅動(dòng)模塊、MCU最小系統模塊，以下分別對這些模塊做詳細的介紹。

1）MCU 最小系統模塊：本控制系統選取STM32F103RBT6 做主控芯片, 其主頻為72 MHz、RAM 為20 kB、FLASH 為128 kB；其外設包括2 路USART、1 路CAN、51 路IO；由于面板執行機構程序中沒(méi)有較復雜的數學(xué)算法, 其性能完全滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)需求。在設計MCU 最小系統時(shí)首先將MCU 相應的電源引腳連接至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,表示單片機復位后, 程序將從Flash 啟動(dòng)；最后將下載口引腳（JTCK、JTMS、RESET）擴展出來(lái)用于程序的下載。同時(shí)在最小系統模塊中設計了LED 電路和蜂鳴器電路用來(lái)表示執行機構的運行故障。

圖3 電源管理模塊硬件電路

2）電源管理模塊：面板執行機構內部供電電壓類(lèi)型有12、5、3.3 V 三種。其中12 V 主要是給步進(jìn)電機供電使其轉化為機械能；5 V 主要是給驅動(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12 V 電源接入到電路板后, 首先連接一個(gè)慢斷保險絲：當負載或電機短路時(shí)可以快速切斷電源輸入；然后接1 個(gè)NTC，防止后面負載過(guò)大造成驅動(dòng)模塊過(guò)快老化。12 V 電源經(jīng)過(guò)LM2596SX-5.0 芯片后轉化為5 V 電源輸出；LM2596SX-5.0最大輸出電流為3 A，完全滿(mǎn)足電路板負載需求。5 V 電源經(jīng)過(guò)AMS1117-3.3 芯片轉化為3.3 V 輸出, 主要給最小系統模塊進(jìn)行供電。

圖4 通信模塊硬件電路

3）通信模塊： 面板執行機構和DTU通過(guò)無(wú)線(xiàn)USART模塊進(jìn)行通信, 其通信協(xié)議滿(mǎn)足Modbus RTU規范。同時(shí)我們擴展1 路CAN用于執行機構的程序在線(xiàn)升級, 擴展2 路USART 用于和電腦進(jìn)行離線(xiàn)數據上傳及調試。在這里選擇MAX232D 芯片，將TTL 電平轉換為RS232信號；選擇TLE8250芯片，將TTL電平轉換為RS485信號。

圖5 電機驅動(dòng)模塊硬件電路

4）電機驅動(dòng)模塊：面板執行機構主要通過(guò)X、Y、Z軸3個(gè)步進(jìn)電機代替人手對設備面板進(jìn)行操作, 之所以選擇步進(jìn)電機主要是因為步進(jìn)電機具有驅動(dòng)簡(jiǎn)單、精度可控的優(yōu)勢。首先我們選用2個(gè)SN74LVC4245DW電平轉換芯片用于3.3V和5V電平信號的轉換，電平轉換后連接至A4988模塊進(jìn)而對步進(jìn)電機進(jìn)行控制，在這里我們沒(méi)有選擇H橋電路而是選擇集成IC 來(lái)驅動(dòng)電機，主要是因為集成IC具有MOS過(guò)熱關(guān)閉功能、母線(xiàn)欠壓鎖定、加載短路保護等功能，當電機發(fā)生故障可及時(shí)有效的進(jìn)行保護。

圖6 應用層Simulink模型

2.2 面板執行機構軟件設計

本設計使用A4988 集成模塊來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電機, 單片機只要兩個(gè)IO口用于控制電機的驅動(dòng)方向和驅動(dòng)脈沖即可；執行機構軟件設計分為底層驅動(dòng)設計和應用層軟件設計，底層驅動(dòng)設計基于C語(yǔ)言程序代碼編寫(xiě), 其主要包括2路USART的驅動(dòng)配置、1 路CAN配置、3 路A4988驅動(dòng)模塊IO口配置。應用層主要包括LED及蜂鳴器故障報警處理、Modbus RTU協(xié)議解析、步進(jìn)電機驅動(dòng)控制；應用層采用基于模型設計(MBD) 開(kāi)發(fā)模式,同時(shí)我們編寫(xiě)M 腳本語(yǔ)言可實(shí)現：

1）模型數據參數一鍵導入至Simulink 工程；

2）定義并導入相關(guān)環(huán)境參數；

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)物調試

首先我們將面板執行機構安裝至設備面板上并通過(guò)無(wú)線(xiàn)串口模塊和DTU 進(jìn)行通信。然后我們通過(guò)相關(guān)客戶(hù)端上位機配置DTU 連接至指定Wi-Fi，確保DTU 可以鏈接至遠程的服務(wù)器；最后我們通過(guò)客戶(hù)端App 操作相應的虛擬按鍵以遠程控制VOCs 設備面板相應的按鍵被按下。實(shí)驗結果顯示我們通過(guò)客戶(hù)端App 可以隨意的操控任何一個(gè)按鍵執行相應的動(dòng)作。

圖7 實(shí)物圖

3   結束語(yǔ)

本系統可實(shí)現對VOCs 檢測設備進(jìn)行遠程控制，工程師可遠程對設備進(jìn)行校準、維護，減少運維人員出勤率，為公司節約人力及燃油成本，同時(shí)提高運維效率。本系統已在相關(guān)的空氣超級工作站進(jìn)行耐久性測試，目前正常工作。在調試過(guò)程中我們也發(fā)現其它問(wèn)題：當以太網(wǎng)絡(luò )較差時(shí)，客戶(hù)端到面板執行機構會(huì )有較大的延時(shí)，降低了體驗感；當以太網(wǎng)絡(luò )因其它原因中斷后，無(wú)法遠程對VOCs 檢測設備進(jìn)行控制，這些問(wèn)題我們后續會(huì )繼續進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 客戶(hù)端APP

參考文獻：

[1] 江梅,鄒蘭,李曉倩,等.我國揮發(fā)性有機物定義和控制指標的探討[J].環(huán)境科學(xué),2015,36(9): 3522-3532.

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）