基于手机APP的甲烷无线监测系统的设计与实现

发布时间：2020-06-03 11:04

【摘要】：甲烷属于易燃易爆气体,使用范围十分广泛,每年因甲烷气体引发的爆炸事故不断,损失惨重。因此,如何有效地检测甲烷气体浓度成为一个倍受关注的问题。然而,传统的基于电化学、催化燃烧等原理的甲烷传感器已无法满足人们对于测量精度和使用寿命的要求,并且传统的检测装置需要工作人员现场测量,不够方便、安全。针对上述问题,采用基于红外吸收光谱原理的甲烷传感器,并结合以STM32为控制核心的嵌入式技术、WiFi无线通讯技术以及手机APP技术,设计出一个在无线WiFi环境下使用手机APP进行远程实时监测甲烷浓度的系统,并在系统标定过程中采用支持向量机(SVM)算法来改善测量精度,该系统有效克服了传统甲烷气体检测实时性差、精度低的问题。本文首先介绍了红外甲烷气体检测的基本理论和红外甲烷传感器的主要部件。然后对甲烷无线监测系统进行了软硬件设计,硬件方面以STM32为控制核心,设计了系统电源模块、数据采集模块以及无线通讯模块;软件方面采用C语言对STM32编程实现了红外甲烷传感器测量数据的读取和处理,并将数据通过串口WiFi模块发送给服务器平台,采用Java语言编写手机APP实现了甲烷浓度的接收和显示。最后在系统标定过程中引入SVM算法进行回归,提出利用人工蜂群算法(ABC)和粒子群算法(PSO)组成的混合优化算法优化SVM参数,构建出ABC-PSO-SVM回归模型,并与单一ABC算法、PSO算法构建的ABC-SVM、PSO-SVM回归模型进行对比分析,结果表明ABC-PSO-SVM回归模型预测精度更为优越,且高于市场对甲烷测量精度的要求。
【图文】：

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中国计量大学硕士学位论文8图 2.1 非对称结构分子两种能级跃迁示意图2.1.2 甲烷气体的特征吸收波长气体的特征吸收频率通常是指该气体对红外光能量吸收最强的频率，每种气体都具有对应的特征吸收频率。当一束特定强度的红外光透过被测气体时，特征频率处的光能就会被气体吸收，从而产生该气体的特征吸收峰。每种气体在红外辐射波段都至少存在一条对应的特征吸收峰，甲烷气体具有四条特征吸收峰。因为甲烷气体分子拥有四个固有的振动，并且都会引起偶极矩的变化，所以这四个振动都是具有红外活性的，从而产生相应的四个基频，每个振动都会对应一个光谱吸收带。基频波数与光谱吸收带的对应关系如表 2.1 所示。表2. 1 甲烷的基频波数与光谱吸收带对应表基频波数（1cm ）波长（μm）1305.9 7.661533.3 6.532913 3.433018.9 3.31通过 HITRAN 数据库计算可得：甲烷气体对波长为 3.31μm、7.66μm的红外光吸收强度明显比波长为 3.43μm、6.53μm的吸收强度大，并且甲烷气体在

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图 2.2 双通道气体检测原理示意图图中测量通道输出关系为：exp()10U I KLC（2-4）参考通道输出关系为：20U I（2-5）式中，0I 为入射光强，1U 、2U 为对应通道输出电压值。由图 2.2 可以看出测量通道和参考通道的输出都正比于入射光强，当气室内甲烷气体浓度变化时，气体分子将吸收红外辐射使光强发生改变，从而引起双通道输出信号发生变化。由于双通道输出信号都与0I 有关，且 K、L 为确定值，因此假设双通道的比例因子分别为1K 、2K ，，可以得到如下关系式：exp()110U K I KCL（2-6）220U K I（2-7）
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP311.56;TP274

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