揮發性有機物（VOCs）危害人體健康和生態環境，是較為復雜的一類污染物。近年來，我國部分地區區域性大氣污染問題日益突出，主要集中在酸雨、霧霾、光化學煙霧等方面。為解決這類區域空氣污染問題，我國“十二五”期間規劃NOx 納入總量控制指標，同時重點加強對VOCs 的排放控制，在京津冀、長三角和珠三角等重點地區開展區域大氣污染聯防聯控措施[1]。同時在最新文件《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標的建議》指出，“十四五”期間，各地市在治理環境污染過程中加強區域協同治理，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]。揮發性有機物是指能夠參加大氣光化學反應的任意有機化合物例如：一般的烷烴、乙炔、芳香烴類物質，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；這些物質是揮發后形成臭氧和PM2.5 的主要前體物質。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, 基于國家環保戰略需求，許多公司已經研發出可以檢測VOCs含量的檢測設備, 有的設備甚至可以對VOCs污染源進行溯源定位。
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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、催化檢測技術、光譜檢測技術、電化學傳感器檢測技術。
1）氣相色譜檢測技術：氣相色譜是對氣體物質或可以在一定溫度下轉化為氣體的物質進行檢測，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，根據峰面積確定濃度大小。氣象色譜法對環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：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, 在催化過程中采用傳感器進行采樣。
3）光譜檢測技術：光譜檢測法主要是以光的吸收、發射、拉曼散射等作用而建立的分析方法, 通過光譜的波長和強度進行定性、定量分析。光譜檢測法包括吸收光譜法、發射光譜法和散色光譜法3 種類型。
4）電化學傳感器檢測技術：氣體一般具有活性化學性質, 其特點是具有還原性或氧化性。在化學反應的過程中, 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。其優點是性能相對穩定, 缺點是電化學傳感器屬于耗材, 使用壽命相對較短,維護成本相對較高。
無論采用上述任何一種檢測方法，其檢測系統都會包括電子傳感器或相關放大電路用于信號的采集及處理，由于電子元器件隨著時間、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進行設備的校準以及耗材的更換。從實際情況來看，這種傳統操作方式效率低下、人工時間成本及車輛燃料費用較高。基于上述現實情況，設計了一種遠程控制系統，可代替工程師對VOCs 檢測設備進行操作，以達到對設備校準目的。
圖1 系統總體結構框架
2 遠程控制系統的開發
本系統主要由APP 客戶端、云平臺、DTU、面板執行機構4 部分構成。從圖1 可以看出，面板執行機構是實現設備遠程校準的關鍵部分，本文主要介紹面板執行機構的工作原理及軟硬件設計。遠程控制系統工作原理：客戶端APP 模擬了實際設備的鍵盤操作界面，客戶可通過APP選擇其中一個按鍵被按下，然后通過云平臺將指令傳送給DTU；DTU和面板執行機構通過無線USART 進行通信，通信協議滿足Modbus RTU 協議規范。當面板執行機構獲得其中一個按鍵需要按下的指令后，首先MCU 會查找這個按鍵的坐標；主要包括X 軸和Y 軸步進電機的行走步數，然后MCU 通過算法對坐標進行校準并驅動X、Y 軸電機轉動同樣的步距，最后MCU 驅動Z 軸電機執行相關動作以模擬按鍵被按下的過程。
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有較復雜的數學算法, 其性能完全滿足開發需求。在設計MCU 最小系統時首先將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；同時將PIN60（BOOT0）引腳拉低,表示單片機復位后, 程序將從Flash 啟動；最后將下載口引腳（JTCK、JTMS、RESET）擴展出來用于程序的下載。同時在最小系統模塊中設計了LED 電路和蜂鳴器電路用來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型有12、5、3.3 V 三種。其中12 V 主要是給步進電機供電使其轉化為機械能；5 V 主要是給驅動芯片及通信相關芯片進行供電；3.3 V 主要是給單片機進行供電。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, 首先連接一個慢斷保險絲：當負載或電機短路時可以快速切斷電源輸入；然后接1 個NTC，防止后面負載過大造成驅動模塊過快老化。12 V 電源經過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，完全滿足電路板負載需求。5 V 電源經過AMS1117-3.3 芯片轉化為3.3 V 輸出, 主要給最小系統模塊進行供電。
圖4 通信模塊硬件電路
3） 通信模塊： 面板執行機構和DTU通過無線USART模塊進行通信, 其通信協議滿足Modbus RTU規范。同時我們擴展1 路CAN用于執行機構的程序在線升級, 擴展2 路USART 用于和電腦進行離線數據上傳及調試。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 電機驅動模塊硬件電路
4）電機驅動模塊：面板執行機構主要通過X、Y、Z軸3個步進電機代替人手對設備面板進行操作, 之所以選擇步進電機主要是因為步進電機具有驅動簡單、精度可控的優勢。首先我們選用2個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模塊進而對步進電機進行控制，在這里我們沒有選擇H橋電路而是選擇集成IC 來驅動電機，主要是因為集成IC具有MOS過熱關閉功能、母線欠壓鎖定、加載短路保護等功能，當電機發生故障可及時有效的進行保護。
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 集成模塊來驅動步進電機, 單片機只要兩個IO口用于控制電機的驅動方向和驅動脈沖即可；執行機構軟件設計分為底層驅動設計和應用層軟件設計，底層驅動設計基于C語言程序代碼編寫, 其主要包括2路USART的驅動配置、1 路CAN配置、3 路A4988驅動模塊IO口配置。應用層主要包括LED及蜂鳴器故障報警處理、Modbus RTU協議解析、步進電機驅動控制；應用層采用基于模型設計(MBD) 開發模式,同時我們編寫M 腳本語言可實現：
1）模型數據參數一鍵導入至Simulink 工程；
2）定義并導入相關環境參數；
3）生成模型C 代碼；
4）生成Keil 工程相關接口代碼；
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Hex 文件。
圖7 實物圖
3 結束語
本系統可實現對VOCs 檢測設備進行遠程控制，工程師可遠程對設備進行校準、維護，減少運維人員出勤率，為公司節約人力及燃油成本，同時提高運維效率。本系統已在相關的空氣超級工作站進行耐久性測試，目前正常工作。在調試過程中我們也發現其它問題：當以太網絡較差時，客戶端到面板執行機構會有較大的延時，降低了體驗感；當以太網絡因其它原因中斷后，無法遠程對VOCs 檢測設備進行控制，這些問題我們后續會繼續進行優化。
圖8 客戶端APP
參考文獻：
[1] 江梅,鄒蘭,李曉倩,等.我國揮發性有機物定義和控制指標的探討[J].環境科學,2015,36(9): 3522-3532.
[2] 闞子建.揮發性有機物VOCs檢測方法及治理措施研究[J].當代化工研究,2022(14): 42-44.
[3] 黃克亞.ARM Cortex-M3嵌入式原理及應用:基于STM32F103微控制器/清華開發者書庫[M].北京:清華大學出版社.
[4] 向軍.MATLAB/Simulink系統建模與仿真[M].北京:清華大學出版社.
[5] 陳美平.Altium Designer 16電路設計[M].北京:電子工業出版社.
（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年2月期）
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