基于无线传感器网络的试验室混合气体远程定量分析.doc

基于无线传感器网络的实验室混合气体远程定量分析 王卫兵1 ， 俞阿龙2 ，蔡可健1※ (1．江苏食品职业技术学院，江苏，淮安 223003；2．淮阴师范学院，江苏，淮安 223300) 摘要：为解决实验室排放液体、气体废弃物严重污染环境的问题，应用无线传感器网络技术，设计了实验室环境远程监测系统。采用单一热线型半导体气敏元件HS-513温度调制技术， 运用支持向量机回归算法建立混合气体分析模型，提高小样本情况下的泛化性能，实现了对混合气体的定量分析。对乙醇和二甲苯两种混合气体样本进行实验，结果表明该系统可有效分析实验室混合气体成份，具有较高的精度，并可通过无线传感器网络对混合气体远程实时监测分析。 关键词：无线传感网；混合气体；动态检测；环境 中图分类号：TP277 文献标识码：A 基金项目否操作人员身体健康避免酸雾对室内和钢结构件的侵蚀Environmental monitoring system structure DSP输出频率和占空比可控的电压给温度调制电路，对气体传感器进行动态加热，使其工作温度随时间呈周期性变化，进而传感器对被测气体的响应亦发生周期性变化。信号调理电路对气体传感器动态响应进行滤波放大处理。调理后的信号经DSP片内AD转换，再进行支持向量回归SVR算法，对气体进行在线检测，检测信号通过ZigBee无线通信模块传输至上位机显示。 1.2 系统硬件设计 监测系统主要由上位机监控系统及现场传感器终端两部分组成，其中上位机监控系统负责轮询实验室酸雾、甲醛、苯系物、各种有机溶剂信息，用于系统分析和统计，便于管理人员了解和掌握各测量点在某一时间范围内混合气体含量是否超标。 现场传感器终端包括温度调制电路、气体传感器、信号调理、数字信号处理器（DSP）、ZigBee无线通信模块、按键和LED等电路构成，考虑到信号传输的实时性及算法复杂的性，DSP选择型号为TMS320C6713的浮点高速处理器、CPU采用必威体育精装版VelociTI体系结构的DSP芯片。VelociTI是高性能、先进的VLIW结构，多个功能单元并行工作，共享公用的大型寄存器组，同时执行的各种操作是由VLIW的长指令分配模块进行同步协调的，工作主频200 MHz，其单指令执行周期仅5 ns具有强大的定点浮点运算能力，运算速度可达1600 MIPS/1200 MFLOPS线圈电阻值变化测定气体浓度。HS-513测量电路由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇混合气体时检测元件电阻减小，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度增大而成比例增大。加热电压由DSP的GPIO口和内部定时器进行控制[10]。由DSP的I/O口输出高、低电平控制传感器的加热电压VH（高压3V、低压1.5V）。由DSP内部定时器控制高电压持续50S、低电压持续100S。这样传感器在周期为150S的矩形脉冲加热电压下工作在高温和低温两种状态。 气体传感器的输出电压信号经信号调理电路滤波放大后，由DSP自带的AD转换器采集。无线通信模块选用ZigBee无线单片机CC2430，它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA 或25 mA。CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性，特别适合的应用 图2 DSP流程图 图3 无线通信单元程序流程 Fig 2 DSP flowcharts Fig 3 Wireless communications unit program flow 2 混合气体检测分析 2.1 传感器动态检测 实验室混合气体的动态定量检测采用对单一热线型半导体气敏元件HS-513温度调制来实现。通过合理地选择气敏元件加热矩形波电压的幅值、周期、占空比等参数，控制气敏元件HS-513在一个加热周期内工作于不同的温度，根据气敏元件在不同的工作温度下具有不同灵敏度的特点，使该气敏元件在不同的时段上响应不同的气体，因此一个气敏元件的输出信息等效于多个传感器的输出信息，从而实现对实验室混合气体的动态在线测量。 根据上述分析，对气敏元件HS-513施加高电压3V，低电压 1.5V，高电压加热时间50S，低电压加热时间100S，测量并记录在1000×10-6乙醇和2000×10-6二甲苯混合气体动态响应曲线，如图4所示。借助特征提取的思想，在一个加热周期150 S选取5个时刻的采样点，分别定义为T1、T2、T3、T4、T5，将这5个时刻的电压取出作为一组样本数据，这样一个气敏元件的响应被转换为5个虚拟传感器响应。通过采集不同浓度的混合气体获取各采样点电压值，将其输入到模式识别