導(dǎo)語：有害氣體無線監(jiān)測設(shè)計與實(shí)現(xiàn)一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：此系統(tǒng)旨在降低歷年火災(zāi)發(fā)生率，避免有害氣體泄漏。系統(tǒng)使用STM32作為主控制模塊控制氣體探測電路。氣體探測電路可驅(qū)動氣體探測模塊，采集需要的氣體濃度數(shù)據(jù)，根據(jù)不同種類的氣體探測頭采集不同種類的氣體，如CO、CO2等。可通過A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并在LCD屏上顯示，以便于查看。將檢測數(shù)據(jù)通過LoRa無線模塊傳送至上機(jī)位，實(shí)現(xiàn)對有害氣體的遠(yuǎn)程無線監(jiān)測。因?yàn)?zāi)情中氣體多以CO為主，故系統(tǒng)選用的氣體探測頭傳感器為CO-AX傳感器，可從源頭發(fā)出警示，有效避免氣體中毒事件的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；STM32；氣體探測；CO-AX傳感器；AD7790；LoRa

近年來，人們生活水平日益提高，人身保護(hù)和財產(chǎn)保護(hù)成為人們主要的關(guān)注點(diǎn)。在多種自然災(zāi)害中，火災(zāi)對于群眾的人身安全、財產(chǎn)安全最具殺傷力?；馂?zāi)發(fā)生的過程中會產(chǎn)生許多有害氣體，這些有害氣體在空氣中的含量超出一定的標(biāo)準(zhǔn)時就會對人體健康造成傷害[1-2]。目前市面上大多為有線攜帶式氣體檢測儀，需要親臨現(xiàn)場進(jìn)行氣體檢測，無法實(shí)現(xiàn)對空氣中氣體的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)具有無線氣體探測功能和便攜等優(yōu)點(diǎn)，將STM32、EVAL-CN0357氣體探測電路以及長距離無線傳輸技術(shù)（LongRange,LoRa）相結(jié)合，利用電化學(xué)傳感器單電源、低噪音、便攜等優(yōu)勢，將檢測電路檢測出的特定氣體信息通過無線通信LoRa模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程發(fā)送。本系統(tǒng)使用Alphasense公司出品的CO-AX傳感器實(shí)現(xiàn)CO探測。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)包括氣體傳感器、無線發(fā)送LoRa模塊、前端放大電路、ADC讀取數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、MCU和LCD顯示屏。使用CO-AX傳感器測量CO氣體濃度，此傳感器最大響應(yīng)為100nA/ppm，最大輸入為2000ppm。所用AD7790芯片為16位，具有精度高、單電源、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。將CO-AX傳感器與MCU連接，可將CO濃度數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上，并通過LoRa模塊發(fā)送到上機(jī)位。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括CN0357氣體探測電路、CO傳感器模塊、無線通信模塊。利用電化學(xué)傳感器對輸出高低電平和0X38波形進(jìn)行采集，通過電壓轉(zhuǎn)換公式得到數(shù)據(jù)后由SPI通道回傳，并在LCD屏上顯示，最終通過LoRa模塊傳輸至數(shù)據(jù)管理端。

2.1硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的電化學(xué)氣體傳感測量電路檢測空氣中的CO濃度，然后經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片將信息傳回AD7790芯片，STM32F103X通過SPI接收后將數(shù)據(jù)顯示到LCD屏上，最后通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳至PC端[3]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2系統(tǒng)電路

2.2.1電化學(xué)傳感器測量電路在電化學(xué)傳感器測量電路中，通過CO-AX檢測頭檢測對應(yīng)氣體的濃度，通過1管腳和2管腳傳送電流信號，其中1管腳由CE流向ADA4528，2管腳流入WE，回傳到ADA4528的3管腳后再傳到放大器和AD7790，最后通過CO濃度與電壓轉(zhuǎn)換公式得到數(shù)據(jù)。電化學(xué)傳感器測量電路如圖2所示。2.2.2AD7790及應(yīng)用AD7790是一款適合低頻測量的低功耗、完整模擬前端[4-5]，內(nèi)置一個低噪聲16位Σ-Δ型ADC，一路差分輸入可配置為緩沖或無緩沖模式，此外還有一個增益可設(shè)置為1、2、4或8的數(shù)字PGA。從放大器ADA4528傳入的電壓信號通過3管腳進(jìn)入AD7790。采集數(shù)據(jù)并處理后，信號由9管腳輸出。AD7790驅(qū)動電路如圖3所示。2.2.3LCD電路LCD顯示屏通過在.C文件中引用聲明函數(shù)顯示所需的字、字符以及字符串，主要運(yùn)用CS、CLK、MOSI和MISO通過調(diào)節(jié)時序實(shí)現(xiàn)[6]，LCD電路如圖4所示。2.2.4有源蜂鳴器蜂鳴器是電子信息傳遞裝置，采用3.3V直流電壓供電。電磁式有源蜂鳴器自帶振蕩電路，初始化后，拉低管腳的電平，蜂鳴器發(fā)出聲響，反之蜂鳴器無反應(yīng)。STM32蜂鳴器電路如圖5所示。

2.3無線通信

LoRa模塊SX1278本設(shè)計使用Semetch公司出品的SX1278作為無線通信的載體，選用點(diǎn)對點(diǎn)透傳模式。LoRa工作于半雙工模式，單片機(jī)端為發(fā)送端，PC端為接收端，利用USART發(fā)送AT命令進(jìn)行設(shè)置，電腦端可以通過上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置。LoRa上電默認(rèn)為透傳模式，將單片機(jī)端和電腦端的LoRa設(shè)置成相同的參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信[7]。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要包括系統(tǒng)模塊初始化、ADC讀取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、LCD顯示、蜂鳴器報警和LoRa發(fā)送數(shù)據(jù)。軟件流程如圖6所示。

4結(jié)果

STM32讀取AD7790從CO感應(yīng)頭收集的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際值后在LCD上顯示（當(dāng)超過設(shè)置的閾值時，蜂鳴器鳴響），通過LoRa將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，用戶可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。

5結(jié)語

本文以有害氣體無線監(jiān)測設(shè)計為研究目標(biāo)，使用STM32作為主控模塊，利用AD7790芯片完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化與傳輸。通過LoRa模塊實(shí)現(xiàn)對有害氣體濃度的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測，并使用蜂鳴器在氣體濃度超出閾值時報警。系統(tǒng)對室內(nèi)CO濃度的監(jiān)測效果良好，能夠有效保證室內(nèi)人員的人身財產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

[1]張鵬程，應(yīng)斌鋮，王金怡，等.基于STM32的一氧化碳檢測系統(tǒng)研究[J].科技資訊，2018，16（15）：43-44.

[2]陳素琴.物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)統(tǒng)計[D].南京：南京郵電大學(xué)，2011.

[3]王聰玲，許婧婷，高軍，等.基于RFID與LoRa技術(shù)的耐力素質(zhì)測試系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2020，43（19）：138-141.

[4]趙靜，蘇光添.LoRa無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析[J].移動通信，2016，40（20）：50-57.

[5]崔國強(qiáng)，詹寧，羅德雨，等.基于STM32和AD7791實(shí)現(xiàn)電子秤設(shè)計[J].儀器儀表用戶，2020，27（2）：5-8.

[6]郭書軍.ARMCortex-M3系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)-STM32基礎(chǔ)篇[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018：21-45.

[7]田香，郭書軍.賽艇船槳力學(xué)建模分析與測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表用戶，2019，26（9）：13-16.

[8]李彤，張子文.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下化工易燃檢測[J].天津化工，2019，33（4）：35-38.

[9]蔡青松，林佳，夏晨益，等.面向異構(gòu)IoT業(yè)務(wù)的LoRa網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)參數(shù)配置策略[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2020，29（11）：1-10.

[10]馬振興，李寧，霍大勇，等.基于單片機(jī)的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測器的設(shè)計[J].電子世界，2020，42（10）：119-121.

作者：王靖懿 崔國強(qiáng) 韓東奇 李響 王英澤 單位：北方工業(yè)大學(xué)