費勤天1，禹素萍1,2,張亞冰1，范紅1

　　（1.東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620；2.教育部數字化紡織服裝技術工程研究中心，上海 201620）

　　摘要：煤礦或各類工廠生產車間現場因作業環境中粉塵濃度超標導致爆炸事故引起傷亡事件時有發生。為實時監測和預警作業環境中的粉塵濃度并及時反饋給作業人員和管理負責人，設計開發了一種便攜式的粉塵監測與預警系統。首先給出該系統總體架構的設計方案，再分別進行硬件和軟件子系統設計，其中硬件部分包括粉塵傳感模塊和系統主控平臺，軟件部分包括系統主控平臺驅動程序和用戶平臺應用程序。該系統具有體積小、攜帶方便、人機界面友好、成本低等特點，可以實時監測作業現場的粉塵濃度值并及時告警，從而確保人身安全，減少粉塵危害。

　　關鍵詞：粉塵爆炸；粉塵傳感器；智能預警；便攜裝置

0引言

　　在生活和工作中，生產性粉塵是人類健康的天敵，是誘發多種疾病的主要原因之一，特別是煤礦粉塵，一方面嚴重危害工人的身體健康，致使工人患塵肺病；另一方面粉塵濃度過高潛伏著爆炸的危險。每年因為粉塵災害而造成的人員傷亡數量極大，也給國家造成了巨大的經濟損失。比如2014年8月2日，位于昆山經濟技術開發區的昆山中榮金屬制品有限公司拋光二車間發生特別重大鋁粉塵爆炸事故，當天造成75人死亡、185人受傷，直接經濟損失3.51億元；還有2015年6月28日的臺灣音樂節玉米粉爆炸事件，都是粉塵濃度超出爆炸極限導致的。

　　因此，以氣體與粉塵爆炸事故狀況及影響因素的分析為基礎，研究各種防止氣體與粉塵爆炸發生的措施，及時有效地對作業場所的粉塵濃度進行監測，以更好地掌握粉塵濃度狀況，進行有效的除塵和降塵，可以為這些物質的安全生產、儲存、運輸和應用提供重要的依據，對確保人身安全和提高環境質量發揮著極其重要的作用。而便攜式粉塵預警裝置能夠彌補固定式設備的不足，如監測空間分辨率、時間分辨率等［1］。

1系統架構分析與設計

　　本文介紹了一種針對粉塵濃度的監測與預警系統，能夠實時檢測作業現場的粉塵濃度，并將濃度值反饋到用戶終端，如Android手機中。該系統架構由硬件和軟件兩部分組成。圖1是系統的網絡拓撲圖。系統由上位機、無線AP和粉塵預警單元組成。上位機與粉塵預警單元之間通過無線設備連接，粉塵預警單元將采集到的數據發送至用戶的移動終端中，顯示實時數據，設置危險濃度的告警閾值以及綁定作業人員的信息，并且上傳至遠程服務器，實現遠程通信［23］。

2系統硬件設計

　　2.1硬件子系統設計

　　系統分為兩大部分，即粉塵傳感模塊和系統主控平臺，其框架如圖2所示。其中，系統主控平臺包括電源管理模塊、微控制器和串口通信模塊；粉塵傳感模塊則包括參考電壓接口、電壓模擬量輸出以及一個控制輸出引腳。

　　粉塵傳感模塊中的粉塵傳感器將采集到的粉塵濃度數據轉換為電流信號，內置A/D模塊將該信號放大并轉變為電壓模擬信號輸出，控制芯片將輸出的模擬電壓信號轉變為15位的數字信號。參考電壓電路為傳感模塊提供一個較為穩定的2.5 V~5.5 V電壓，以確保粉塵濃度數據計算的準確。

　　系統主控平臺與粉塵傳感模塊之間通過通用I/O端口進行數據傳輸和寄存器的配置等。系統主控平臺中的微控制器將傳感器輸入的15位數字信號轉換為對應的粉塵濃度數值，通過串口模塊USART2，以一定的數據幀格式發送至測試平臺顯示出來。

　　2.2粉塵傳感模塊

　　本模塊是以夏普公司的GP2Y1010AU0F為核心的粉塵傳感器。該傳感器有效量程為500 μg/m3，能測量出直徑大于等于0.8 μm的粉塵顆粒，靈敏度為0.5 V/（100 μg/m3），且工作時功耗較低，在一個采樣周期內，最大電流不超過20 mA。傳感器內部的紅外二極管可以輸出一個與粉塵濃度呈線性關系的電壓值，通過該電壓值即可計算出空氣中的粉塵含量。

　　（1）參考電壓：為了保證數據精度，傳感器內置升壓電路，其電壓工作范圍為2.5 V~5.5 V。一般外接3.3 V的參考電壓。

　　（2）電壓模擬量輸出：傳感器輸出電壓與粉塵濃度關系在0~0.5 mg/m3范圍內呈線性關系，內部設置衰減電路，最大輸出電壓不超過1.5 V。

　　（3）傳感器控制原理：通過設置模塊ILED引腳為高電平，從而打開傳感器內部紅外二極管。等待0.28 ms，外部控制器采樣模塊AOUT引腳的電壓值。這是因為傳感器內部紅外二極管在開啟0.28 ms之后，輸出波形才達到穩定，如圖3所示。采樣持續0.04 ms之后，再設置ILED引腳為低電平，從而關閉內部紅外二極管。根據電壓與濃度關系即可計算出當前空氣中的粉塵濃度。

　　2.3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 V~5.5 V的輸入電壓穩定輸出為3.3 V。

　　（2）微控制器：采用STMicroelectronics公司的Open407Z-C開發平臺（主控芯片STM32F407Z），具有功耗低、擴展性好等特點，并支持硬件I2C和SPI總線等。微控制器與粉塵傳感模塊通信使用其通用I/O端口（GPI/O）。其中,粉塵傳感模塊的AOUT引腳與GPIOA.6相連；ILED引腳與GPIOA.7相連。

　　（3）串口通信：系統主控平臺集成了串口模塊的USART2端口，用于與串口通信測試平臺連接。還可通過無線通信協議連接至移動終端。

3軟件子系統設計

　　3.1系統主控平臺驅動程序設計

　　圖4所示為系統主控平臺程序流程圖。首先安裝STLink/v2仿真器驅動以及USB轉換TTL串口驅動,然后設置時鐘頻率，并初始化GPI/O口、串口模塊。通過USART2串口對粉塵傳感模塊上的AOUT和ILED控制字寄存器進行配置，為粉塵傳感器模擬電壓信號放大和ADC做準備。對粉塵傳感器進行預熱，準備就緒后判斷AOUT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。最后讀取AOUT中的15位轉換值，轉換成對應的粉塵濃度值，通過預設的串口發送到測試終端，間隔30 s發送一次數據幀。

　　3.2用戶平臺應用程序設計

　　以Android操作系統的手機用戶為例，Android編程使用Eclipse集成開發環境，所開發的用戶界面包括登錄界面、實時數據顯示界面和設置界面。用戶登錄后，可以查看設備、個人信息，查看實時顯示的粉塵濃度值，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，即直觀地顯示粉塵濃度是否正常，正常濃度值顯示為綠色（正常），臨界值顯示為橙色（預警），警告值顯示為紅色（告警）［45］。

4實現與驗證測試

　　圖5是系統硬件的實物圖。其中，圖5（a）是系統主控平臺與測試平臺的串口連接部分（包含STLink/v2仿真器驅動端），圖5（b）是粉塵傳感模塊與系統主控平臺的連接部分。其中，①是粉塵傳感模塊（Dust Sensor），②是微控制器（STM32F407Z），③是串口模塊端口（USART2），④是仿真器（STLink/v2）。

　　4.1系統測試方案設計

　　本文設計了如下系統測試環境，首先編譯下載系統主控平臺驅動程序，然后通過串口模塊把主控平臺USART2接口連接至測試終端，將串口調試助手設置為：（1）波特率：115 200 b/s；（2）數據位：8 bit；（3）停止位：1 bit；（4）校驗位：None；（5）流控制：None。

　　粉塵傳感模塊與系統主控平臺相連后，系統上電。在一定時間間隔內，串口調試窗口將不斷顯示當前粉塵濃度值。

　　4.2系統測試數據分析

　　簡單給定兩種運行環境，即普通室內環境和特殊測試環境。系統運行穩定后，測試平臺不斷顯示出實時的粉塵濃度值。圖6是在室內環境的測試數據；圖7是測試環境（人為制造灰塵）下的測試數據。可以看到，室內環境的粉塵濃度數值穩定在250 μg/m3~270 μg/m3之間，而在用于對照觀察的測試環境下的粉塵濃度數值逐漸增大，且響應時間短，符合試驗預期。經反復驗證，系統運行正常。

5結論

　　本文介紹了一種用于作業現場粉塵濃度的便攜式智能預警系統的軟硬件設計。市場上傳統的粉塵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工作效率。與之相比，本系統的硬件擴展性好、便于移植；而軟件部分在與Android操作系統結合后，天然地具有攜帶方便、便于記錄通信等特點。本文驗證了粉塵傳感器能實時檢測變化的粉塵濃度并轉換為電壓值，發送到移動終端平臺，而給粉塵濃度值做標定是下一步的工作。

參考文獻

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