CN101701952A - 可支持数据远传的空气质量监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可支持数据远传的空气质量监测设备。现有的设备成本高、监测范围有限。本发明包括电源管理模块、空气质量参数采集模块、微处理器模块和GPRS传输模块。电源管理模块为空气质量参数采集模块、微处理器模块和GPRS传输模块供电，空气质量参数采集模块中的多个变送器经I/V转换电路后输出信号至微处理器模块，GPRS传输模块与微处理器模块的USART接口连接。本发明实时性强、数据类型多样、覆盖范围广；通信能力强、传输速度快。

Description

可支持数据远传的空气质量监测设备

技术领域

本发明属于无线通信和嵌入式系统技术领域，具体涉及一种可支持数据远传的空气质量监测设备。

背景技术

空气质量监测是环境保护的主要手段，当前生活、生产中的有毒有害气体排放量大，空气污染问题已引起广泛关注。研究空气质量参数的在线检测方法，开发低成本、高精度且适合大范围内分布式监测的空气质量实时在线自动监测设备显得尤为迫切。

目前，国外已采用先进的大气及污染物实时动态监测系统开展不同时空尺度的监测与分析，常用的空气质量监测方法主要有两种，即传统的人工采样、实验室分析的方法及通过有线的方式构建由远程监测中心和位于现场的若干个监测子站组成的空气质量自动监测系统的方法。前者成本高，不能对多个监测点进行实时有效地自动在线监测，存在监测周期长、数据采集慢等问题，无法反映空气环境的实时动态变化情况，不易及早发现污染源并报警。后者虽能较好解决上述存在的问题，但由于有预先铺设电缆和建立多个监测子站的施工要求，故有系统成本高、监测范围有限、实施和维护难度大、易对监测区域造成破坏等缺点。

采用GPRS无线技术构建空气质量监测系统，在待监测区域内确定监测点并放置现场监测设备，构成监测网络，位于远程监测中心的工作人员发布指令，经GPRS网络传输至现场监测设备对其配置和管理，达到远程控制现场监测设备的目的，并将现场监测设备收集到的空气质量参数发送至监测中心，供工作人员分析。与常用的监测方法相比，基于GPRS无线技术实现的空气质量监测系统在实施、运行及维护时更为方便快捷。通过GPRS网络实现监测设备与远程监测中心之间的通信，使得现场监测设备的位置以及它们之间的距离不受环境约束，具有布设方便、成本低、不受地理环境影响等优点，可实现远程数据传输的要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种可支持数据远传的空气质量监测设备。该监测设备可通过GPRS网络与远程监测中心通信，实现控制指令与监测参数的双向远程传输。

本发明所采取的技术方案为：

可支持数据远传的空气质量监测设备包括电源管理模块、空气质量参数采集模块、微处理器模块和GPRS传输模块。

所述的电源管理模块包括锂电池、3.3V电压转换电路和12V电压转换电路，锂电池为3.3V电压转换电路和12V电压转换电路提供电源；3.3V电压转换电路和12V电压转换电路均采用成熟产品。

所述的空气质量参数采集模块包括温湿度变送器、气压变送器、二氧化硫变送器、一氧化氮变送器、二氧化氮变送器和I/V转换电路；

温湿度变送器信号输出端与I/V转换电路的第一通道连接，气压变送器信号输出端与I/V转换电路的第二通道连接，二氧化硫变送器信号输出端与I/V转换电路的第三通道连接，一氧化氮变送器信号输出端与I/V转换电路的第四通道连接，二氧化氮变送器信号输出端与I/V转换电路的第五通道连接。

所述的微处理器模块的控制端与12V电压转换电路连接，微处理器模块的电源端与3.3V电压转换电路连接，微处理器模块的模数转换接口与I/V转换电路连接。

所述的GPRS传输模块与微处理器模块的通用同步/异步串行接收/发送器(USART)接口连接，GPRS传输模块的电源端与3.3V电压转换电路连接。

本发明相比于现有技术，具有以下优点：

1.实时性强、数据类型多样、覆盖范围广。可实现实时采集、传输多种空气质量参数(包括温度、湿度、气压、二氧化硫、氮氧化物含量)。监测设备部署方便，不受地理环境约束，可以监测大范围区域内空气质量变化情况。

2.通信能力强、传输速度快。通过GPRS网络实现现场监测设备与远程监测中心的双向通信。所采用的GPRS模块MC35具有永久在线连接、快速数据存储和数据下载的特点，使得系统通信具有传输速率快、通信质量高、网络容量大等特点，满足空气质量监测系统中参数实时传输的要求。

3.设备环境适应性强。设备各部件均采用符合工业级标准的器件，在野外恶劣的环境条件下具有较强的适应能力。此外采用电源管理模块以及低功耗元件大大减少了整个系统的能量消耗，使其在野外环境下可持久工作。

4.数据处理速度快，功能强。本发明使用高性能处理器，提高了数据处理以及数据传输能力，同时增强了系统可靠性并有利于今后的系统升级和功能更新。

5.系统成本低。相对于常用的空气质量监测系统和人工采样实验室分析方法，本发明的设备成本更为低廉。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的空气质量参数信号流示意图；

图3为以本发明为单位的空气质量监测系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示，可支持数据远传的空气质量监测设备包括电源管理模块1、空气质量参数采集模块2、微处理器模块3和GPRS传输模块4。

电源管理模块1包括锂电池1-1、12V电压转换电路1-2和3.3V电压转换电路1-3。所采用的YSD-12450锂电池1-1标称容量为4.5Ah，为12V电压转换电路1-2和3.3V电压转换电路1-3提供电源，并通过电压转换电路产生3.3V和12V电压为各个模块供电。

以LM2596-12为核心的电压转换电路模块1-2，为空气质量参数采集模块2中的五个空气质量参数变送器和I/V转换电路2-6提供12V电压；以LM2596-3.3为核心的电压转换电路模块1-3，为微处理器模块3和GPRS传输模块4提供3.3V电压。

空气质量参数采集模块2包括温湿度变送器2-1、气压变送器2-2、二氧化硫变送器2-3、一氧化氮变送器2-4、二氧化氮变送器2-5和I/V转换电路2-6。各空气质量参数变送器输出的电流信号通过I/V转换电路2-6，转变为标准电压信号。微处理器模块3对I/V转换电路2-6输出的标准电压信号进行分析和处理，完成多种空气质量参数的采集。

所使用的变送器有温湿度变送器KGC 3/9(温度量程为-20～80℃，精度为±0.3℃，输出4～20mA电流；湿度量程为0～100％rh，精度为±2％rh，输出4～20mA电流)，气压变送器HD9408T BARO(量程为600～1100mbar，精度为±0.4mbar，输出4～20mA电流)，二氧化硫变送器MIC-100-SO2(量程为0～100ppm，精度为±5％(F.S)，输出4～20mA电流)，一氧化氮变送器NBG80-NO(量程为0～500ppm，精度为±5％(F.S)，输出4～20mA电流)，二氧化氮变送器NBG80-NO2(量程为0～500ppm，精度为±5％(F.S)，输出4～20mA电流)。I/V转换电路2-6以LM324集成运算放大器为核心搭建，多种空气质量参数变送器输出4～20mA电流信号，通过I/V转换电路2-6转换为6路0～3.3v的电压信号，送入微处理器模块3的A/D转换器，完成空气质量参数采集。

温湿度变送器2-1信号输出端与I/V转换电路的第一通道信号连接，气压变送器2-2信号输出端与I/V转换电路的第二通道信号连接，二氧化硫变送器2-3信号输出端与I/V转换电路的第三通道信号连接，一氧化氮变送器2-4信号输出端与I/V转换电路的第四通道信号连接，二氧化氮变送器2-5信号输出端与I/V转换电路的第五通道信号连接。

微处理器模块3的控制端与12V电压转换电路1-2连接，微处理器模块3的电源端与3.3V电压转换电路1-3连接，微处理器模块3的模数转换接口与I/V转换电路2-6连接。

微处理器模块采用MSP430F1611低功耗处理器作为核心，用于控制现场监测设备与远程监测中心的通信，并对采集的空气质量参数作分析、处理与历史记录。

MSP430F1611低功耗处理器的多路12位A/D转换器用来采集和处理空气质量参数采集模块传输的空气质量参数信号。微处理器模块通过通用同步/异步串行接收/发送器(Universal Synchronous/AsynchronousReceiver/Transmitter，USART)与GPRS传输模块互连，实现空气质量参数的传输。微处理器模块利用单刀单掷开关ISL43110控制以LM2596-12为核心的电压转换电路模块，在设备不采集空气质量参数的情况下，停止12V电压转换电路模块对多种空气质量参数变送器和I/V转换电路供电，以降低设备能耗。

GPRS传输模块4与微处理器模块3的USART接口连接，GPRS传输模块4的电源端与3.3V电压转换电路1-3连接。

GPRS传输模块采用德国Siemens MC35模块，通过USART接口与微处理器模块互连。MC35模块的工作电压为3.3～4.8V，处于休眠状态、空闲状态和发射状态时，平均电流分别为3.0mA、10.0mA和300mA。利用AT指令控制MC35，实现监测设备与监测中心间的通信，最高速率达85.6kb/s。

如图2所示，多种空气质量参数变送器采集监测区域内的多种空气质量参数，输出4～20mA电流信号，经由I/V转换电路转换后输出标准电压信号，传输至微处理器模块的A/D转换器，转换为微处理器可以操作的数字信号，微处理器模块对A/D转换后的空气质量参数信号进行分析和处理，并通过USART传输至GPRS传输模块MC35，GPRS传输模块MC35可根据远程监测中心的要求或定时将空气质量参数信号发送至远程监测中心。

如图2和图3所示，在整个监测系统中，空气质量监测系统的数据流、状态流、命令流传输情况如下。在监测过程中，分布于监测区域中的监测设备通过空气质量参数采集模块采集空气的温度、湿度、气压、二氧化硫、氮氧化物含量等参数，由处理器MSP430F1611的A/D口送微处理器模块作处理和分析，并存储该监测设备采集的数据。最终将采集的空气质量参数和监测设备的状态信息连同分析处理后的报警信息，经由GPRS网络发送至远程监测中心。远程监测中心接收监测设备上传的各种信息，分析处理相关数据，并根据监测需要发送控制指令至各个现场监测设备。而现场监测设备接收到指令后，经解码做出相应的控制操作，例如，配置相关监测设备，以满足远程监测中心简单的控制要求。

该空气质量监测设备工作过程如下：电源管理模块的YSD-12450锂电池提供12V电源，通过以LM2596-12为核心的电压转换电路模块，为多种空气质量参数变送器和I/V转换电路提供12V电压，通过以LM2596-3.3为核心的电压转换电路模块，为微处理器模块和GPRS传输模块MC35提供3.3V电压。微处理器模块利用单刀单掷开关ISL43110控制以LM2596-12为核心的电压转换电路模块，在设备不采集空气质量参数的情况下，停止电压转换电路模块对多种空气质量参数变送器和I/V转换电路供电，以降低设备能耗。当微处理器模块允许以LM2596-12为核心的电压转换电路模块为多种空气质量参数变送器和I/V转换电路供电时，空气质量参数采集模块开始采集多种空气质量参数。其中，多种空气质量参数变送器可采集包括温度、湿度、气压、二氧化硫、氮氧化物含量等多种参数，多种空气质量参数变送器输出的电流信号，通过I/V转换电路转换为6路0～3.3v的电压信号，送入微处理器模块的A/D转换器，完成空气质量参数采集。微处理器模块的多路12位A/D转换器把空气质量参数采集模块传输的模拟信号转换为数字信号，并且对转换后的数字信号作分析和处理，然后把分析处理后的空气质量参数信号通过USART接口传输至GPRS传输模块MC35，通过GPRS网络发送空气质量参数至远程监测中心。

本发明提供的基于GPRS技术、可支持数据远传的空气质量监测设备，作为整个空气质量监测系统的基本数据采集设备，实现了对监测区域的无线实时监测。

Claims (1)

1.可支持数据远传的空气质量监测设备，包括电源管理模块、空气质量参数采集模块、微处理器模块和GPRS传输模块，其特征在于：

电源管理模块包括锂电池、3.3V电压转换电路和12V电压转换电路，锂电池为3.3V电压转换电路和12V电压转换电路提供电源；

空气质量参数采集模块包括温湿度变送器、气压变送器、二氧化硫变送器、一氧化氮变送器、二氧化氮变送器和I/V转换电路；

温湿度变送器信号输出端与I/V转换电路的第一通道连接，气压变送器信号输出端与I/V转换电路的第二通道连接，二氧化硫变送器信号输出端与I/V转换电路的第三通道连接，一氧化氮变送器信号输出端与I/V转换电路的第四通道连接，二氧化氮变送器信号输出端与I/V转换电路的第五通道连接；

微处理器模块的控制端与12V电压转换电路连接，微处理器模块的电源端与3.3V电压转换电路连接，微处理器模块的模数转换接口与I/V转换电路连接；

GPRS传输模块与微处理器模块的通用同步/异步串行接收/发送器接口连接，GPRS传输模块的电源端与3.3V电压转换电路连接。

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