基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程多通道分時(shí)氣體采樣裝置設(shè)計(jì)研究

唐慧鋒

摘要：該文結(jié)合遠(yuǎn)程在線多通道環(huán)境氣體采樣儀設(shè)計(jì)開發(fā)項(xiàng)目實(shí)例，論述了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與PLC控制技術(shù)為核心的遠(yuǎn)程多通道分時(shí)氣體采樣裝置的設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化通道設(shè)計(jì)，利用PLC的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道分時(shí)采樣，無線通信模塊實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程控制繼電器的開合來觸發(fā)PLC。本裝置解決了人工現(xiàn)場看守氣體采樣及有毒有害氣體環(huán)境下氣體采樣問題。

關(guān)鍵詞：分時(shí)采樣裝置;多通道采樣;遠(yuǎn)程控制;PLC控制;氣體采樣

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）18-0100-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

目前國內(nèi)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放、燃燒物等污染源的監(jiān)測主要分兩類在線監(jiān)測與手工監(jiān)測。在線監(jiān)測對(duì)于復(fù)雜成分氣體分析難度較大，有時(shí)候還需要手工采樣氣體樣品到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步分析[1]。針對(duì)手工監(jiān)測我們國家也有相關(guān)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，比如《HJ 194-2017 環(huán)境空氣質(zhì)量手工監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》《GB37822-2019 揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》，這些規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中都提到使用直接采樣法采集瞬時(shí)樣品，1小時(shí)內(nèi)等時(shí)間間隔采集3-4個(gè)樣品。

等時(shí)間間隔的采樣，對(duì)樣品數(shù)據(jù)分析有很大的幫助。目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中是一個(gè)通道的采樣裝置，一個(gè)小時(shí)內(nèi)采集3-4個(gè)樣品，一個(gè)氣體樣品采樣結(jié)束后，手工換上新的氣體采樣袋，然后定時(shí)采樣，需要人工值守在旁邊，直到采樣結(jié)束。對(duì)于長期從事污染源采樣的工作人員滯留污染源時(shí)間長對(duì)健康不利，同時(shí)工作效率不高，時(shí)間間隔誤差。本文討論基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程多通道分時(shí)氣體采樣裝置相對(duì)于傳統(tǒng)一個(gè)通道的氣體采樣裝置，具有安全、高效等時(shí)間間隔等優(yōu)點(diǎn)的氣體采樣裝置。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程多通道分時(shí)氣體采樣裝置分為下位機(jī)與上位機(jī)，如圖1：

上位機(jī)是由服務(wù)器和客戶端組成，客戶端與服務(wù)器建立連接后，客服端可以讀取服務(wù)器相關(guān)數(shù)據(jù)，知道GPRS模塊是否通電，以及用于控制PLC電源的繼電器P1是否閉合，觸發(fā)PLC工作的繼電器P2是否閉合。下位機(jī)的GPRS無線數(shù)傳通信模塊開發(fā)板通電情況下，客戶端通過修改服務(wù)器的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以控制PLC電源的繼電器P1是開或閉合，觸發(fā)PLC工作的繼電器P2開或閉合。

本文介紹的是2通道設(shè)計(jì)，大于2通道的設(shè)計(jì)可以根據(jù)本文介紹的原理擴(kuò)展。

采樣裝置的硬件部分由PLC控制器帶觸摸屏一體機(jī)、GPRS無線數(shù)傳通信模塊開發(fā)板，繼電器2個(gè)、電磁閥2個(gè)、泵1個(gè)、電池模塊輸出12V與24V兩種電壓值、真空采樣箱2個(gè)、氣體采樣袋2個(gè)等組成。

下位機(jī)的GPRS模塊通電后與服務(wù)器建立連接，將用于控制PLC電源的繼電器P1是否閉合，觸發(fā)PLC程序工作的繼電器P2是否閉合，這兩個(gè)繼電器的狀態(tài)信息反饋給服務(wù)器?？刂芇LC電源的繼電器閉合，PLC通電，觸發(fā)PLC程序工作的繼電器P2閉合，PLC按照設(shè)置的時(shí)間序列進(jìn)行工作。電源模塊24V電源供給PlC，12V供給GPRS模塊與泵及控制氣路的電磁閥。

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)通信模塊

GPRS通信技術(shù)是一項(xiàng)基于TCP/IP協(xié)議的無線通信傳輸技術(shù)，GPRS具有傳輸速度快，按照數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)，本系統(tǒng)只是傳輸幾個(gè)開關(guān)量，數(shù)量量很小，按照流量計(jì)費(fèi)可以使得系統(tǒng)流量費(fèi)用非常經(jīng)濟(jì)[2-4]。一般GPRS模塊與MCU控制器串口通信，控制器控制繼電器或外設(shè)，GPRS模塊與服務(wù)器建立連接。本文選用GPRS無線數(shù)傳通信模塊開發(fā)板 ，該開發(fā)板應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，無須外掛MCU控制器，開發(fā)板帶有GPIO引腳用于控制繼電器，通過直接使用GPRS無線數(shù)傳通信模塊開發(fā)板廠家提供的SDK開發(fā)包或腳本語言，調(diào)用API函數(shù)與服務(wù)器建立連接，根據(jù)通信模塊下位機(jī)收到服務(wù)器發(fā)來的指令，來設(shè)置pio.P0_4與pio.P0_5來控制狀態(tài)，繼而達(dá)到控制繼電器P1或P2的開與合[2]。圖2是pio.P0_4控制繼電器P1。

2.2 負(fù)壓箱設(shè)計(jì)

2.2.1 負(fù)壓箱設(shè)計(jì)

負(fù)壓箱采用密封性能比較好的長方體塑料箱，塑料箱帶上蓋，箱體側(cè)面裝兩個(gè)接口，其中一個(gè)接口裝上單向閥門，氣源的氣體可以進(jìn)入負(fù)壓箱體里面的氣體采樣袋;該接口的外部通過硅膠軟管或聚四氟乙烯管延伸到氣源，接口另一頭在箱體內(nèi)，用硅膠軟管或聚四氟乙烯連接單向閥門進(jìn)氣端，單向閥門的出氣端，通過硅膠軟管或聚四氟乙烯接到氣體采樣袋閥門進(jìn)氣咀上。另一個(gè)接口是里外直通的，接口外部通過硅膠軟管或聚四氟乙烯連接到采樣裝置的通道一或通道二;為了保護(hù)泵，可以在這個(gè)氣路管中間上安裝一個(gè)過濾吸附裝置，比如活性炭過濾，吸附空氣中水汽、顆粒物、腐蝕性氣體等。

2.2.2 負(fù)壓箱采樣工作原理

當(dāng)氣體采樣袋閥門打開狀態(tài)下，蓋上負(fù)壓箱上蓋，通道抽氣，負(fù)壓箱形成負(fù)壓，為了使得箱體內(nèi)壓力平衡，氣源的氣體通過管路流到袋子里面。單向閥門作用是氣源的氣體一旦進(jìn)入氣體采樣袋里面，氣體樣品就一直留在氣體采樣袋中，等待人工開箱取出氣體采樣袋樣品氣體。通過這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)了氣體采樣袋氣體樣品取樣。工作人員只要打開箱體上蓋，關(guān)上氣體采樣袋上面的閥門，拔下連到氣體采樣袋閥門氣咀的管子，然后重新?lián)Q上新的氣體采樣袋，可以繼續(xù)下次的氣體樣品采樣。

2.3 多通道設(shè)計(jì)

2.3.1 多通道并行設(shè)計(jì)

多通道設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)多通道分時(shí)氣體采樣裝置的核心裝置，本系統(tǒng)主要是泵吸氣方式來采集氣體樣品，2個(gè)氣路分別連接到外部的負(fù)壓箱，為了兩個(gè)負(fù)壓箱單獨(dú)工作，設(shè)備里面的內(nèi)部氣路需要并行設(shè)計(jì)，從泵抽氣管分出兩個(gè)并行氣路，在每個(gè)氣路上設(shè)置一個(gè)電磁氣閥，電磁閥的進(jìn)氣端與外部的負(fù)壓箱相連，電磁閥的出氣端與泵分出的氣路相連。

2.3.2 多通道并行設(shè)計(jì)控制過程

當(dāng)電磁氣閥開的狀態(tài)，泵工作，那么這一氣路通，泵可以抽到該氣路相連的負(fù)壓箱里面的氣體，使得負(fù)壓箱形成真空度，從而使得負(fù)壓箱里面的氣體采樣袋吸到箱外面的氣源氣體。采樣時(shí)間到，電磁閥門關(guān)閉，泵停止工作，氣體采樣袋采集到這段時(shí)間段的氣體量。等待間隔一定時(shí)間，可以啟動(dòng)第二個(gè)通道進(jìn)行相同的采樣。

2.3.3 多通道并行設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

并行設(shè)計(jì)的好處是每個(gè)并行氣路是單獨(dú)工作，可以做到一個(gè)通道工作，泵的吸氣能力都集中到這個(gè)通道上，其他通道氣路是處于中斷狀態(tài)。從這個(gè)原理上來說，同樣一個(gè)泵，2個(gè)通道的裝置與20個(gè)通道的裝置，隨著通道數(shù)量的增加，泵的處理能力還是一樣的，不受通道數(shù)量的增加而減弱。這種并行設(shè)計(jì)對(duì)以后裝置通道數(shù)量的擴(kuò)充非常有利;通道與通道間是獨(dú)立分開可以實(shí)現(xiàn)分時(shí)采樣獲得的不同時(shí)間點(diǎn)氣體樣品，只要事先將每個(gè)通道的負(fù)壓箱及氣體采樣袋按照要求放好，設(shè)置每個(gè)通道的采樣時(shí)間，每個(gè)通道間的間隔時(shí)間，中間時(shí)間不需要手工去處理，比如取下已經(jīng)采樣好的氣體采樣袋，然后換上新的氣體采樣袋，人工值守旁邊看著時(shí)間等著氣體采樣，再取下已經(jīng)采樣好的，準(zhǔn)備再換新的氣體采樣袋。

2.3.4 通道并行設(shè)計(jì)與單通道相比的優(yōu)勢

相對(duì)于一個(gè)通道的采樣裝置，要做到間隔時(shí)間比較短的采樣工作，是沒有辦法實(shí)現(xiàn)的，取下已經(jīng)采集好的氣體采樣袋，然后再換上新的氣體采樣袋，每次都要打開負(fù)壓箱及拔插氣體采樣袋的需要時(shí)間。多通道設(shè)計(jì)從原理上說通道與通道的時(shí)間間隔是由程序控制，時(shí)間間隔可以做到非小，比如秒級(jí)的時(shí)間間隔。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信模塊設(shè)計(jì)

調(diào)用GPRS無線數(shù)傳通信模塊開發(fā)板自帶的SDK開發(fā)包或者廠家提供的腳本語言，編寫下位機(jī)程序。服務(wù)器端可以用Vc++開發(fā)環(huán)境，用C語言調(diào)用windows自帶的SDK包winsock編寫服務(wù)器軟件，數(shù)據(jù)可以存到access 數(shù)據(jù)庫或者用數(shù)據(jù)文件直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)?？蛻舳丝梢灾苯佑肅、Perl語言編寫CGI程序直接讀取服務(wù)器里面的數(shù)據(jù)文件，web界面作為登錄界面[3-5]?？蛻舳艘部梢允俏⑿判〕绦蜃鳛榭头伺c服務(wù)器端通過HTTP協(xié)議建立通信。可以利用微信的API函數(shù)建立WebSocket連接，wx.connectSocket（），wx.onSocketOpen（），wx.sendSocketMessage（），wx.closeSocket（）通過這四個(gè)函數(shù)，可以與服務(wù)器先建立連接、打開連接、向服務(wù)器發(fā)送消息、然后關(guān)閉連接。下面的代碼是在luat開發(fā)模式的lua腳本編寫的通信模塊下位機(jī)客戶端部分程序，繼電器P1與繼電器P2分別由pio.P0_4與pio.P0_5來控制，首先通過pio.pin.setdir（）pio.pin.setval（）設(shè)置pio.P0_4與pio.P0_5的輸出方向及電平，通過socket通信，Socket.isReady（）來判斷SOCKET是否有可用，如果socket有用則創(chuàng)建一個(gè)socketclient=socket.tcp（），然后通過Socketclient：connect（ipaddress，port）建立連接，連接成功后一直循環(huán)接收服務(wù)器的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)又發(fā)送給服務(wù)器，直到接收數(shù)據(jù)不成功，跳出循環(huán)，Socketclient：close（）斷開socket連接。程序里面接收到data數(shù)據(jù)為open1就設(shè)置pio.P0_4為高電平，繼電器P1閉合;接收到data是close1設(shè)置pio.P0_4為低電平，繼電器P1斷開，下面是lua腳本代碼關(guān)于socket的通信代碼：

pio.pin.setdir（pio，OUTPUT，pio.P0_4）

pio.pin.setdir（pio，OUTPUT，pio.P0_5）

pio.pin.setval（0，pio.P0_4）

pio.pin.setval（0，pio.P0_5）

Local result， data

If Socket.isReady（） then

Local socketclient=socket.tcp（）;

If Socketclient：connect（ipaddress，port） then

While true do

result，data=socketclient.recv（1000）

If result then

If data==open1 then

pio.pin，setval（1，pio.p0_4）

result=socketclient.send（data）

elseif data==close1

pio.pin，setval（0，pio.p0_4）

result=socketclient.send（data）

elseif data==open2

pio.pin，setval（1，pio.p0_5）

result=socketclient.send（data）

elseif data==close2

pio.pin，setval（0，pio.p0_5）

result=socketclient.send（data）

end

else

log.info（"接收數(shù)據(jù)不成功"，data）

break

end

end

else

log.info（"socketconnect不成功"，“連接不成功"

end

Socketclient：close（）

end

3.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制器是PLC觸摸屏一體，PLC的輸入X0作為啟動(dòng)控制程序的開關(guān)，GPRS無線數(shù)傳通信模塊開發(fā)板控制繼電器P2用來控制這個(gè)X0開與關(guān)。在程序啟動(dòng)前，設(shè)置好時(shí)間參數(shù)，通道一工作時(shí)間，通道一與通道二間隔時(shí)間，通道二工作時(shí)間。如果泵是流量可調(diào)泵，設(shè)置好泵的流量。這些參數(shù)是根據(jù)袋子大小，負(fù)壓箱的大小，采樣時(shí)間點(diǎn)來控制。若選用的泵是帶脈沖調(diào)速控制接口，通過改變占空比來改變泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)流量;如果選擇泵不帶脈沖調(diào)速控制接口的直流泵，直接接通正負(fù)極電源，泵即可工作。本系統(tǒng)對(duì)流量要求不高，就直接可以選用不帶脈沖調(diào)速接口的泵，通過PLC的輸出Y4來控制泵的開與關(guān)。Y5輸出控制電磁閥門第一個(gè)通道，Y6輸出控制電磁閥第二個(gè)通道。X0閉合，輸出Y4，輸出Y5，通道一工作，工作時(shí)長T1，T1時(shí)間到，關(guān)閉輸出Y4，Y5;T1時(shí)間到，T2開始計(jì)時(shí)，T2作為通道一與通道二時(shí)間間隔，T2時(shí)間未到時(shí)，通道二工作前的等待;T2時(shí)間到，T3開始計(jì)時(shí)，輸出Y4，Y6，通道二開始工作，時(shí)長T3，T3時(shí)間到，關(guān)閉Y4，Y6，整個(gè)采樣結(jié)束。程序流程圖如圖3：

4 系統(tǒng)調(diào)試

準(zhǔn)備2個(gè)10升容量的負(fù)壓箱（箱子尺寸內(nèi)尺寸長寬高：260×200×180mm），1L氣體采樣袋2個(gè)（膜材質(zhì)：PVDF薄膜，E-Switch的聚丙烯閥門 ，尺寸長寬：240×160mm，上海申源科學(xué)儀器有限公司）按照要求連接到控制設(shè)備上，手機(jī)打開微信搜索申源物聯(lián)，找到申源物聯(lián)小程序，登錄小程序，找到需要控制的設(shè)備，然后點(diǎn)擊開設(shè)備，PLC通電并啟動(dòng)，設(shè)備的泵的流量是10L/min，根據(jù)袋子大小及箱子大小，設(shè)置通道1與通道2的時(shí)間30秒左右，設(shè)置通道1與通道2的時(shí)間間隔5分鐘。手機(jī)客戶端點(diǎn)擊采樣工作按鈕，泵開始工作，通道1打開，氣源的氣體慢慢進(jìn)入負(fù)壓箱內(nèi)的采樣袋，30秒到，泵停止工作，通道1關(guān)閉，中間等待5分鐘后，泵開啟，通道2打開，第二個(gè)負(fù)壓箱內(nèi)的氣體采樣袋進(jìn)行采樣，30秒到，泵停止工作，通道2關(guān)閉，結(jié)束采樣。裝置按照預(yù)設(shè)的時(shí)間正常工作。

通道1與通道2的工作時(shí)間，開始設(shè)置時(shí)間不要過長，可以嘗試幾次知道多大的負(fù)壓箱對(duì)應(yīng)于多大的袋子，時(shí)間多長，把這些經(jīng)驗(yàn)值記錄到系統(tǒng)的常用容量表中。

若系統(tǒng)通道數(shù)擴(kuò)張到4通道，使用直接采樣法采集瞬時(shí)樣品，1小時(shí)內(nèi)時(shí)間間隔采集3-4個(gè)樣品。該設(shè)備符合《HJ 194-2017 環(huán)境空氣質(zhì)量手工監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》《GB37822-2019 揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》。實(shí)物圖如圖4：

5 結(jié)論與建議

綜上所述，本裝置利用GPRS無線通信技術(shù)模塊開發(fā)板及PLC控制器、泵、繼電器、電磁閥、負(fù)壓箱、氣體采樣袋等，客戶端、服務(wù)器、下位機(jī)三者結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程多通道分時(shí)氣體樣品采樣。上位機(jī)微信小程序連接服務(wù)器，發(fā)送指令給通信模塊，作為遠(yuǎn)程觸發(fā)通道工作的開關(guān)。通道間并列設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道單獨(dú)控制，利用PLC時(shí)間序列實(shí)現(xiàn)分時(shí)。試驗(yàn)表明：本文只是介紹了2個(gè)通道，當(dāng)然可以按照本文的原理可以擴(kuò)張更多的通道，該系統(tǒng)可以很好解決遠(yuǎn)程規(guī)定時(shí)間內(nèi)等時(shí)間間隔多個(gè)氣體樣品采樣，方便針對(duì)同一點(diǎn)氣源，在不同時(shí)間點(diǎn)氣體樣品收集，或者在一些有毒氣體場合，不方便工作人員現(xiàn)場長時(shí)間停留等待取樣的場景，這個(gè)裝置取樣安全、簡單、使用方便。對(duì)環(huán)境空氣手工監(jiān)測以及無組織排放氣體樣品采樣使用與推廣具有重要意義。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】