基于物聯(lián)網(wǎng)的VOCs檢測器遠程控制系統(tǒng)

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，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(qū)開展區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控措施^[1]。同時在最新文件《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)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)境污染過程中加強區(qū)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(xiàn)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(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含量的檢測設備, 有的設備甚至可以對VOCs污染源進行溯源定位。

1   國內(nèi)現(xiàn)狀

目前，從國內(nèi)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(zhì)或可以在一定溫度下轉化為氣體的物質(zhì)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(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：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(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度進行定性、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）電化學傳感器檢測技術：氣體一般具有活性化學性質(zhì), 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(yōu)點是性能相對穩(wěn)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(tǒng)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(shù)據(jù)的準確性，需要定期派駐工程師去現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)實情況，設計了一種遠程控制系統(tǒng)，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。

2   遠程控制系統(tǒng)的開發(fā)

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

圖1 系統(tǒng)總體結構框架

遠程控制系統(tǒng)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(zhí)行機構通過無線USART 進行通信，通信協(xié)議滿足Modbus RTU 協(xié)議規(guī)范。當面板執(zhí)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(shù)，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(zhí)行相關動作以模擬按鍵被按下的過程。

圖2 MCU最小系統(tǒng)模塊硬件電路

2.1 面板執(zhí)行機構硬件設計

根據(jù)功能需求可知, 執(zhí)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(tǒng)模塊，以下分別對這些模塊做詳細的介紹。

1）MCU 最小系統(tǒng)模塊：本控制系統(tǒng)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(zhí)行機構程序中沒有較復雜的數(shù)學算法, 其性能完全滿足開發(fā)需求。在設計MCU 最小系統(tǒng)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(tǒng)模塊中設計了LED 電路和蜂鳴器電路用來表示執(zhí)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(zhí)行機構內(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(jīng)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(jīng)過AMS1117-3.3 芯片轉化為3.3 V 輸出, 主要給最小系統(tǒng)模塊進行供電。

圖4 通信模塊硬件電路

3）通信模塊： 面板執(zhí)行機構和DTU通過無線USART模塊進行通信, 其通信協(xié)議滿足Modbus RTU規(guī)范。同時我們擴展1 路CAN用于執(zhí)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(shù)據(jù)上傳及調(diào)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(zhí)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(yōu)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(fā)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(zhí)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(zhí)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(xié)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(fā)模式,同時我們編寫M 腳本語言可實現(xiàn)：

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

2）定義并導入相關環(huán)境參數(shù)；

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。

2.3 成型實物調(diào)試

首先我們將面板執(zhí)行機構安裝至設備面板上并通過無線串口模塊和DTU 進行通信。然后我們通過相關客戶端上位機配置DTU 連接至指定Wi-Fi，確保DTU 可以鏈接至遠程的服務器；最后我們通過客戶端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。實驗結果顯示我們通過客戶端App 可以隨意的操控任何一個按鍵執(zhí)行相應的動作。

圖7 實物圖

3   結束語

本系統(tǒng)可實現(xiàn)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(jié)約人力及燃油成本，同時提高運維效率。本系統(tǒng)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(diào)試過程中我們也發(fā)現(xiàn)其它問題：當以太網(wǎng)絡較差時，客戶端到面板執(zhí)行機構會有較大的延時，降低了體驗感；當以太網(wǎng)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(xù)會繼續(xù)進行優(yōu)化。

圖8 客戶端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,2015,36(9): 3522-3532.

[2] 闞子建.揮發(fā)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(fā)者書庫[M].北京:清華大學出版社.

[4] 向軍.MATLAB/Simulink系統(tǒng)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(yè)出版社.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）