摘 要： 工礦企業或市政施工現場的作業人員因作業環境中毒害氣體超標導致中毒或窒息引起傷亡事件時有發生。為實時監測和預警作業環境中的毒害氣體并及時反饋給作業人員和現場負責人，設計開發了一種用于作業現場危害氣體的智能預警穿戴系統。首先給出該系統的架構設計，再進行硬件和軟件子系統設計，其中硬件部分包括系統主控平臺和電化學氣體（ECG）傳感模塊，軟件部分包括系統主控平臺程序和安卓平臺。本系統具有體積小、攜帶方便、成本低、檢測氣體種類靈活可變等特點，可以實時監測作業環境中的氣體濃度值并及時告警，從而保障作業人員的人身安全。
關鍵詞： 危害氣體；電化學氣體傳感器；智能預警；穿戴系統
0 引言
在人們的日常生活中，大量的易燃易爆、具有毒性和腐蝕性的化學物品被廣泛應用。火場及其他災難事故中常產生NH3、CO、CO2、SO2、H2S等氣體，這些氣體大部分毒性很強或有害，如果不采取防范措施，就會有生命危險。工業事故使大量危害氣體泄露，這對工作在這種環境中的作業人員是一個很大的考驗。
筆者對近2年內工人因毒氣泄露中毒的新聞報道進行了統計整理，并統計出危害氣體導致作業人員中毒的數目，從中發現，近年來毒氣泄露造成現場工作人員死傷的報道逐年增加。所以保護作業時人員的安全，營造安全的工作環境刻不容緩。
1 系統架構分析與設計
本文介紹了一種毒害氣體預警系統，能夠實時檢測現場毒害氣體濃度，并將濃度值反饋到手機中。本文以CO為例，介紹毒害氣體預警系統的硬件和軟件架構。
圖1是系統的網絡拓撲圖。系統由上位機、無線路由（AP）和氣體預警單元組成。上位機和氣體預警單元通過AP連接，氣體預警單元將采集的數據發送到手機中，手機顯示實時數據，設置危害氣體的告警閾值和綁定作業人員的信息。同時，氣體預警單元也可以直接進行本地的視覺、聽覺和觸覺的告警[1-2]。
2 系統硬件設計
2.1 硬件子系統設計
系統分為兩大部分：系統主控平臺和電化學氣體（ECG）傳感模塊，其框架如圖2所示。其中系統主控平臺包括電源管理模塊、微控制器和短距無線通信模塊；ECG傳感模塊則可以根據實際需求，添加CH4、CO、O2、H2S等氣體傳感模塊，包括模擬前端（AFE）模塊、A/D模塊、參考電壓、ECG傳感器[3]。
ECG傳感器模塊中的ECG傳感器將采集到的氣體濃度數據轉換為電流信號，AFE模塊將該信號放大并轉為電壓信號輸出，A/D模塊將AFE輸出的模擬電壓信號轉為15位的數字信號。參考電壓電路為AFE模塊提供一個較為精準的2.5 V電壓，在進行氣體濃度計算時確保數據準確。
系統主控平臺和ECG傳感器模塊之間通過I2C進行數據傳輸、AFE和AD寄存器的配置等。系統主控平臺中的微控制器將傳入的15位數字信號轉換為對應氣體的濃度值，通過SPI總線控制短距無線通信模塊，以一定的數據幀格式發送至移動終端。
2.2 系統主控平臺
（1）電源管理模塊：電池充電電路芯片選用Microchip公司的MCP73123，輸出3.6 V給充電電池充電；充電電池則選擇穩定性較好的磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）；電池放電電路芯片采用Murata公司的LXDC3EC，能將2.5~5.5 V的輸入電壓穩定輸出為3.3 V。電源管理模塊框架如圖3所示。
（2）微控制器：采用TI公司的MSP430FR5739，采用鐵電存儲器，超低功耗，支持硬件I2C和SPI總線等；微控制器與ECG傳感模塊通信使用I2C總線。
（3）短距無線通信模塊：選取TI公司的CC3000芯片，它是一種低成本和低功耗的WiFi通信芯片。
2.3 ECG傳感模塊
（1）AFE模塊：ECG傳感器一般需要一塊AFE芯片來進行信號的預處理，比如放大和濾波。本系統選用TI公司的LMP91000作為AFE，LMP91000與ECG傳感器之間通過CE/RE/WE 3線連接；想要選中某一塊LMP91000時，微控制器對LMP91000進行使能，需要將MENB引腳拉低，再通過芯片的I2C地址來進行芯片的配置。
（2）A/D模塊：為了實現更高精度的轉換，本系統另外添加A/D轉換芯片，選用TI公司的ADS1110，16位分辨率，支持I2C；AFE模塊通過Vout端口向A/D模塊傳輸電壓模擬量，微控制器通過I2C總線控制轉換結果的輸出。
（3）參考電壓：為了保證A/D轉換精度，外接2.5 V的參考電壓，本系統選用TI公司的LM4120-2.5芯片，它的輸入電壓為電源管理模塊的輸出電壓3.3 V，它的輸出電壓為2.5 V。
（4）ECG傳感器：與金屬氧化物氣體傳感器、紅外型氣體傳感器相比，ECG傳感器具有性能好、價格低、功耗小、測量范圍廣的特點。本系統采用Solidsense公司的ECG傳感器，可選的傳感器有CH4、CO、O2、H2S、CI2、SO2、NO等氣體傳感器。
3 軟件子系統設計
3.1 系統主控平臺程序設計
圖4所示為系統主控平臺程序流程圖。首先設置時鐘頻率，初始化GPIO口、I2C和SPI總線。通過SPI初始化CC3000模塊，并連接到AP。通過I2C對ECG傳感器模塊上的LMP91000和ADS1110控制字寄存器進行配置，為ECG傳感器信號放大和ADC做準備。ECG進行預熱，一般來說CO ECG傳感器預熱需要1 min左右。判斷ADS1110中的配置字與之前寫入的是否一致，一致則繼續，否則跳轉再配置ADS1110。最后讀取ADS1110中的15位轉換值，轉換成對應的氣體濃度，通過TCP/IP協議發送到手機終端，間隔30 s發送一次數據幀[4]。
3.2 安卓平臺應用軟件設計
安卓平臺開發使用Eclipse開發環境，所開發的界面如圖5所示，包括主界面、實時數據界面和設置界面。
（1）主界面：開啟TCP服務器，等待多個毒害氣體監測設備連接（最多同時支持5個設備），選擇設備號查看實時CO的濃度，同時可以跳轉進入設置界面。
（2）實時數據界面：可以查看設備、使用者信息、工號等信息，顯示CO的實時濃度值，并與設定的閾值進行對比，同時使用文字提醒和三色濃度值提醒，即顯示CO濃度是否正常，正常濃度值數據位顯示為綠色，臨界值顯示為橙色，警告值顯示為紅色。
（3）設置界面：可以設置CO的閾值，綁定設備號、使用者姓名和工號等信息[5]。
4 實現與驗證
圖6是系統硬件的實物圖，其中圖6（a）是正面圖，主要是系統主控平臺，圖6（b）是背面圖，其中①是微控制器，②是短距無線通信模塊，③是ECG模塊，④是LiFePO4電池。ECG模塊通過接插件安裝在系統主控平臺的背面。
4.1 系統測試方案設計
本文設計了如下實驗環境：將已連接AP（TL-WR740N）的系統主控平臺放入一個密閉的玻璃器皿中，并用蘸有酒精的醫用棉點燃并放入其中，以此來制造CO。從剛開始到最后醫用棉因缺氧而熄滅，CO的濃度是逐漸增加；將密閉的空間人為地制造一個縫隙，讓空氣擴散進入，等待一段時間，最后將密閉容器移除，CO的濃度將逐漸降到0 PPM。
4.2 實驗數據分析
CO濃度變化曲線如圖7所示，CO濃度數據每隔30 s傳輸1次。從0時刻開始，系統主控平臺剛放入密閉的器皿中，所以CO濃度為0 PPM；在60 s的時刻，醫用棉點燃，過了3 s因缺氧而熄滅，CO濃度迅速增加；在120 s的時刻，CO濃度達到最大值；從150 s的時刻開始，空氣擴散進入器皿，CO濃度緩慢降低，直到600 s的時刻還有一定濃度的CO；在750 s的時刻，密閉容器全部移除，系統主控平臺暴露在空氣中，CO濃度迅速下降；到780 s的時刻，CO濃度又恢復為0 PPM。
5 結論
本文介紹了一種用于作業現場危害氣體的智能預警穿戴系統的軟硬件設計。傳統的氣體檢測儀多為固定設備，不靈活，需要人工讀數，從而降低作業人員的效率。與之相比，本系統的硬件具有體積小、攜帶方便、檢測氣體種類靈活可變等特點。本文驗證了CO ECG傳感器能實時檢測變化的CO濃度并轉換為PPM值，并傳到安卓平臺，而給CO濃度值做標定是下一步的工作。
參考文獻
[1] Li Haitao， Mu Xiaoyi， Wang Zhe， et al. Wearable autonomous microsystem with electrochemical gas sensor array for real-time health and safety monitoring[C]. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society， 2012：503-506.
[2] RADU T， FAY C， LAU K T， et al. Wearable sensing application-carbon dioxide monitoring for emergency personnel using wearable sensors[J]. International Conference on Environmental Systems Engineering， ICESE 2009， Venice， Italy， 2009.
[3] 陳征，劉開華.基于MSP430的多用便攜式測量儀的設計[J].電子測量技術，2012（5）：36-39.
[4] 沈建華，楊艷琴.MSP430超低功耗點偏激原理與應用（第二版）[M].北京：清華大學出版社，2013.
[5] 李剛.瘋狂Android講義[M].北京：電子工業出版社，2013.