费勤天1，禹素萍1,2,张亚冰1，范红1

　　（1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620；2.教育部数字化纺织服装技术工程研究中心，上海 201620）

　　摘要：煤矿或各类工厂生产车间现场因作业环境中粉尘浓度超标导致爆炸事故引起伤亡事件时有发生。为实时监测和预警作业环境中的粉尘浓度并及时反馈给作业人员和管理负责人，设计开发了一种便携式的粉尘监测与预警系统。首先给出该系统总体架构的设计方案，再分别进行硬件和软件子系统设计，其中硬件部分包括粉尘传感模块和系统主控平台，软件部分包括系统主控平台驱动程序和用户平台应用程序。该系统具有体积小、携带方便、人机界面友好、成本低等特点，可以实时监测作业现场的粉尘浓度值并及时告警，从而确保人身安全，减少粉尘危害。

　　关键词：粉尘爆炸；粉尘传感器；智能预警；便携装置

0引言

　　在生活和工作中，生产性粉尘是人类健康的天敌，是诱发多种疾病的主要原因之一，特别是煤矿粉尘，一方面严重危害工人的身体健康，致使工人患尘肺病；另一方面粉尘浓度过高潜伏着爆炸的危险。每年因为粉尘灾害而造成的人员伤亡数量极大，也给国家造成了巨大的经济损失。比如2014年8月2日，位于昆山经济技术开发区的昆山中荣金属制品有限公司抛光二车间发生特别重大铝粉尘爆炸事故，当天造成75人死亡、185人受伤，直接经济损失3.51亿元；还有2015年6月28日的台湾音乐节玉米粉爆炸事件，都是粉尘浓度超出爆炸极限导致的。

　　因此，以气体与粉尘爆炸事故状况及影响因素的分析为基础，研究各种防止气体与粉尘爆炸发生的措施，及时有效地对作业场所的粉尘浓度进行监测，以更好地掌握粉尘浓度状况，进行有效的除尘和降尘，可以为这些物质的安全生产、储存、运输和应用提供重要的依据，对确保人身安全和提高环境质量发挥着极其重要的作用。而便携式粉尘预警装置能够弥补固定式设备的不足，如监测空间分辨率、时间分辨率等［1］。

1系统架构分析与设计

　　本文介绍了一种针对粉尘浓度的监测与预警系统，能够实时检测作业现场的粉尘浓度，并将浓度值反馈到用户终端，如Android手机中。该系统架构由硬件和软件两部分组成。图1是系统的网络拓扑图。系统由上位机、无线AP和粉尘预警单元组成。上位机与粉尘预警单元之间通过无线设备连接，粉尘预警单元将采集到的数据发送至用户的移动终端中，显示实时数据，设置危险浓度的告警阈值以及绑定作业人员的信息，并且上传至远程服务器，实现远程通信［23］。

2系统硬件设计

　　2.1硬件子系统设计

　　系统分为两大部分，即粉尘传感模块和系统主控平台，其框架如图2所示。其中，系统主控平台包括电源管理模块、微控制器和串口通信模块；粉尘传感模块则包括参考电压接口、电压模拟量输出以及一个控制输出引脚。

　　粉尘传感模块中的粉尘传感器将采集到的粉尘浓度数据转换为电流信号，内置A/D模块将该信号放大并转变为电压模拟信号输出，控制芯片将输出的模拟电压信号转变为15位的数字信号。参考电压电路为传感模块提供一个较为稳定的2.5 V~5.5 V电压，以确保粉尘浓度数据计算的准确。

　　系统主控平台与粉尘传感模块之间通过通用I/O端口进行数据传输和寄存器的配置等。系统主控平台中的微控制器将传感器输入的15位数字信号转换为对应的粉尘浓度数值，通过串口模块USART2，以一定的数据帧格式发送至测试平台显示出来。

　　2.2粉尘传感模块

　　本模块是以夏普公司的GP2Y1010AU0F为核心的粉尘传感器。该传感器有效量程为500 μg/m3，能测量出直径大于等于0.8 μm的粉尘颗粒，灵敏度为0.5 V/（100 μg/m3），且工作时功耗较低，在一个采样周期内，最大电流不超过20 mA。传感器内部的红外二极管可以输出一个与粉尘浓度呈线性关系的电压值，通过该电压值即可计算出空气中的粉尘含量。

　　（1）参考电压：为了保证数据精度，传感器内置升压电路，其电压工作范围为2.5 V~5.5 V。一般外接3.3 V的参考电压。

　　（2）电压模拟量输出：传感器输出电压与粉尘浓度关系在0~0.5 mg/m3范围内呈线性关系，内部设置衰减电路，最大输出电压不超过1.5 V。

　　（3）传感器控制原理：通过设置模块ILED引脚为高电平，从而打开传感器内部红外二极管。等待0.28 ms，外部控制器采样模块AOUT引脚的电压值。这是因为传感器内部红外二极管在开启0.28 ms之后，输出波形才达到稳定，如图3所示。采样持续0.04 ms之后，再设置ILED引脚为低电平，从而关闭内部红外二极管。根据电压与浓度关系即可计算出当前空气中的粉尘浓度。

　　2.3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 V~5.5 V的输入电压稳定输出为3.3 V。

　　（2）微控制器：采用STMicroelectronics公司的Open407Z-C开发平台（主控芯片STM32F407Z），具有功耗低、扩展性好等特点，并支持硬件I2C和SPI总线等。微控制器与粉尘传感模块通信使用其通用I/O端口（GPI/O）。其中,粉尘传感模块的AOUT引脚与GPIOA.6相连；ILED引脚与GPIOA.7相连。

　　（3）串口通信：系统主控平台集成了串口模块的USART2端口，用于与串口通信测试平台连接。还可通过无线通信协议连接至移动终端。

3软件子系统设计

　　3.1系统主控平台驱动程序设计

　　图4所示为系统主控平台程序流程图。首先安装STLink/v2仿真器驱动以及USB转换TTL串口驱动,然后设置时钟频率，并初始化GPI/O口、串口模块。通过USART2串口对粉尘传感模块上的AOUT和ILED控制字寄存器进行配置，为粉尘传感器模拟电压信号放大和ADC做准备。对粉尘传感器进行预热，准备就绪后判断AOUT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。最后读取AOUT中的15位转换值，转换成对应的粉尘浓度值，通过预设的串口发送到测试终端，间隔30 s发送一次数据帧。

　　3.2用户平台应用程序设计

　　以Android操作系统的手机用户为例，Android编程使用Eclipse集成开发环境，所开发的用户界面包括登录界面、实时数据显示界面和设置界面。用户登录后，可以查看设备、个人信息，查看实时显示的粉尘浓度值，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，即直观地显示粉尘浓度是否正常，正常浓度值显示为绿色（正常），临界值显示为橙色（预警），警告值显示为红色（告警）［45］。

4实现与验证测试

　　图5是系统硬件的实物图。其中，图5（a）是系统主控平台与测试平台的串口连接部分（包含STLink/v2仿真器驱动端），图5（b）是粉尘传感模块与系统主控平台的连接部分。其中，①是粉尘传感模块（Dust Sensor），②是微控制器（STM32F407Z），③是串口模块端口（USART2），④是仿真器（STLink/v2）。

　　4.1系统测试方案设计

　　本文设计了如下系统测试环境，首先编译下载系统主控平台驱动程序，然后通过串口模块把主控平台USART2接口连接至测试终端，将串口调试助手设置为：（1）波特率：115 200 b/s；（2）数据位：8 bit；（3）停止位：1 bit；（4）校验位：None；（5）流控制：None。

　　粉尘传感模块与系统主控平台相连后，系统上电。在一定时间间隔内，串口调试窗口将不断显示当前粉尘浓度值。

　　4.2系统测试数据分析

　　简单给定两种运行环境，即普通室内环境和特殊测试环境。系统运行稳定后，测试平台不断显示出实时的粉尘浓度值。图6是在室内环境的测试数据；图7是测试环境（人为制造灰尘）下的测试数据。可以看到，室内环境的粉尘浓度数值稳定在250 μg/m3~270 μg/m3之间，而在用于对照观察的测试环境下的粉尘浓度数值逐渐增大，且响应时间短，符合试验预期。经反复验证，系统运行正常。

5结论

　　本文介绍了一种用于作业现场粉尘浓度的便携式智能预警系统的软硬件设计。市场上传统的粉尘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工作效率。与之相比，本系统的硬件扩展性好、便于移植；而软件部分在与Android操作系统结合后，天然地具有携带方便、便于记录通信等特点。本文验证了粉尘传感器能实时检测变化的粉尘浓度并转换为电压值，发送到移动终端平台，而给粉尘浓度值做标定是下一步的工作。

参考文献

　　［1］ 王自亮.粉尘浓度传感器的研制和应用［J］.工业安全与环保，2006，32（4）：2427.

　　［2］ 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.

　　［3］ RADU T，FAY C，LAU K T，et al. Wearable sensing applicationcarbon dioxide monitoring for emergency personnel using wearable sensors［C］. International Conference on Environmental Systems Engineering，ICESE 2009，2009：2830.

　　［4］ 公磊，周聪.基于Android的移动终端应用程序开发与研究［J］.计算机与现代化，2008，18（8）：8689.

　　［5］ 姚昱旻，刘卫国.Android的架构与应用开发研究［J］.计算机系统应用，2008，17（11）：110118.