摘 要： 工矿企业或市政施工现场的作业人员因作业环境中毒害气体超标导致中毒或窒息引起伤亡事件时有发生。为实时监测和预警作业环境中的毒害气体并及时反馈给作业人员和现场负责人，设计开发了一种用于作业现场危害气体的智能预警穿戴系统。首先给出该系统的架构设计，再进行硬件和软件子系统设计，其中硬件部分包括系统主控平台和电化学气体（ECG）传感模块，软件部分包括系统主控平台程序和安卓平台。本系统具有体积小、携带方便、成本低、检测气体种类灵活可变等特点，可以实时监测作业环境中的气体浓度值并及时告警，从而保障作业人员的人身安全。
关键词： 危害气体；电化学气体传感器；智能预警；穿戴系统
0 引言
在人们的日常生活中，大量的易燃易爆、具有毒性和腐蚀性的化学物品被广泛应用。火场及其他灾难事故中常产生NH3、CO、CO2、SO2、H2S等气体，这些气体大部分毒性很强或有害，如果不采取防范措施，就会有生命危险。工业事故使大量危害气体泄露，这对工作在这种环境中的作业人员是一个很大的考验。
笔者对近2年内工人因毒气泄露中毒的新闻报道进行了统计整理，并统计出危害气体导致作业人员中毒的数目，从中发现，近年来毒气泄露造成现场工作人员死伤的报道逐年增加。所以保护作业时人员的安全，营造安全的工作环境刻不容缓。
1 系统架构分析与设计
本文介绍了一种毒害气体预警系统，能够实时检测现场毒害气体浓度，并将浓度值反馈到手机中。本文以CO为例，介绍毒害气体预警系统的硬件和软件架构。
图1是系统的网络拓扑图。系统由上位机、无线路由（AP）和气体预警单元组成。上位机和气体预警单元通过AP连接，气体预警单元将采集的数据发送到手机中，手机显示实时数据，设置危害气体的告警阈值和绑定作业人员的信息。同时，气体预警单元也可以直接进行本地的视觉、听觉和触觉的告警[1-2]。
2 系统硬件设计
2.1 硬件子系统设计
系统分为两大部分：系统主控平台和电化学气体（ECG）传感模块，其框架如图2所示。其中系统主控平台包括电源管理模块、微控制器和短距无线通信模块；ECG传感模块则可以根据实际需求，添加CH4、CO、O2、H2S等气体传感模块，包括模拟前端（AFE）模块、A/D模块、参考电压、ECG传感器[3]。
ECG传感器模块中的ECG传感器将采集到的气体浓度数据转换为电流信号，AFE模块将该信号放大并转为电压信号输出，A/D模块将AFE输出的模拟电压信号转为15位的数字信号。参考电压电路为AFE模块提供一个较为精准的2.5 V电压，在进行气体浓度计算时确保数据准确。
系统主控平台和ECG传感器模块之间通过I2C进行数据传输、AFE和AD寄存器的配置等。系统主控平台中的微控制器将传入的15位数字信号转换为对应气体的浓度值，通过SPI总线控制短距无线通信模块，以一定的数据帧格式发送至移动终端。
2.2 系统主控平台
（1）电源管理模块：电池充电电路芯片选用Microchip公司的MCP73123，输出3.6 V给充电电池充电；充电电池则选择稳定性较好的磷酸铁锂电池（LiFePO4）；电池放电电路芯片采用Murata公司的LXDC3EC，能将2.5~5.5 V的输入电压稳定输出为3.3 V。电源管理模块框架如图3所示。
（2）微控制器：采用TI公司的MSP430FR5739，采用铁电存储器，超低功耗，支持硬件I2C和SPI总线等；微控制器与ECG传感模块通信使用I2C总线。
（3）短距无线通信模块：选取TI公司的CC3000芯片，它是一种低成本和低功耗的WiFi通信芯片。
2.3 ECG传感模块
（1）AFE模块：ECG传感器一般需要一块AFE芯片来进行信号的预处理，比如放大和滤波。本系统选用TI公司的LMP91000作为AFE，LMP91000与ECG传感器之间通过CE/RE/WE 3线连接；想要选中某一块LMP91000时，微控制器对LMP91000进行使能，需要将MENB引脚拉低，再通过芯片的I2C地址来进行芯片的配置。
（2）A/D模块：为了实现更高精度的转换，本系统另外添加A/D转换芯片，选用TI公司的ADS1110，16位分辨率，支持I2C；AFE模块通过Vout端口向A/D模块传输电压模拟量，微控制器通过I2C总线控制转换结果的输出。
（3）参考电压：为了保证A/D转换精度，外接2.5 V的参考电压，本系统选用TI公司的LM4120-2.5芯片，它的输入电压为电源管理模块的输出电压3.3 V，它的输出电压为2.5 V。
（4）ECG传感器：与金属氧化物气体传感器、红外型气体传感器相比，ECG传感器具有性能好、价格低、功耗小、测量范围广的特点。本系统采用Solidsense公司的ECG传感器，可选的传感器有CH4、CO、O2、H2S、CI2、SO2、NO等气体传感器。
3 软件子系统设计
3.1 系统主控平台程序设计
图4所示为系统主控平台程序流程图。首先设置时钟频率，初始化GPIO口、I2C和SPI总线。通过SPI初始化CC3000模块，并连接到AP。通过I2C对ECG传感器模块上的LMP91000和ADS1110控制字寄存器进行配置，为ECG传感器信号放大和ADC做准备。ECG进行预热，一般来说CO ECG传感器预热需要1 min左右。判断ADS1110中的配置字与之前写入的是否一致，一致则继续，否则跳转再配置ADS1110。最后读取ADS1110中的15位转换值，转换成对应的气体浓度，通过TCP/IP协议发送到手机终端，间隔30 s发送一次数据帧[4]。
3.2 安卓平台应用软件设计
安卓平台开发使用Eclipse开发环境，所开发的界面如图5所示，包括主界面、实时数据界面和设置界面。
（1）主界面：开启TCP服务器，等待多个毒害气体监测设备连接（最多同时支持5个设备），选择设备号查看实时CO的浓度，同时可以跳转进入设置界面。
（2）实时数据界面：可以查看设备、使用者信息、工号等信息，显示CO的实时浓度值，并与设定的阈值进行对比，同时使用文字提醒和三色浓度值提醒，即显示CO浓度是否正常，正常浓度值数据位显示为绿色，临界值显示为橙色，警告值显示为红色。
（3）设置界面：可以设置CO的阈值，绑定设备号、使用者姓名和工号等信息[5]。
4 实现与验证
图6是系统硬件的实物图，其中图6（a）是正面图，主要是系统主控平台，图6（b）是背面图，其中①是微控制器，②是短距无线通信模块，③是ECG模块，④是LiFePO4电池。ECG模块通过接插件安装在系统主控平台的背面。
4.1 系统测试方案设计
本文设计了如下实验环境：将已连接AP（TL-WR740N）的系统主控平台放入一个密闭的玻璃器皿中，并用蘸有酒精的医用棉点燃并放入其中，以此来制造CO。从刚开始到最后医用棉因缺氧而熄灭，CO的浓度是逐渐增加；将密闭的空间人为地制造一个缝隙，让空气扩散进入，等待一段时间，最后将密闭容器移除，CO的浓度将逐渐降到0 PPM。
4.2 实验数据分析
CO浓度变化曲线如图7所示，CO浓度数据每隔30 s传输1次。从0时刻开始，系统主控平台刚放入密闭的器皿中，所以CO浓度为0 PPM；在60 s的时刻，医用棉点燃，过了3 s因缺氧而熄灭，CO浓度迅速增加；在120 s的时刻，CO浓度达到最大值；从150 s的时刻开始，空气扩散进入器皿，CO浓度缓慢降低，直到600 s的时刻还有一定浓度的CO；在750 s的时刻，密闭容器全部移除，系统主控平台暴露在空气中，CO浓度迅速下降；到780 s的时刻，CO浓度又恢复为0 PPM。
5 结论
本文介绍了一种用于作业现场危害气体的智能预警穿戴系统的软硬件设计。传统的气体检测仪多为固定设备，不灵活，需要人工读数，从而降低作业人员的效率。与之相比，本系统的硬件具有体积小、携带方便、检测气体种类灵活可变等特点。本文验证了CO ECG传感器能实时检测变化的CO浓度并转换为PPM值，并传到安卓平台，而给CO浓度值做标定是下一步的工作。
参考文献
[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] 陈征，刘开华.基于MSP430的多用便携式测量仪的设计[J].电子测量技术，2012（5）：36-39.
[4] 沈建华，杨艳琴.MSP430超低功耗点偏激原理与应用（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2013.
[5] 李刚.疯狂Android讲义[M].北京：电子工业出版社，2013.