CN102200456A - 化工园区有毒有害气体监测系统 - Google Patents

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陈蒙蒙
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Abstract

本发明涉及一种化工园区有毒有害气体监测系统。本发明包括传感器节点、采集基站以及监测中心。传感器节点包括电源管理模块、控制器模块、检测模块、通信模块以及数据存储模块，负责感知、处理和传输温度、湿度、气压、
Figure 2011101364660100004DEST_PATH_IMAGE002
浓度、浓度、
Figure 2011101364660100004DEST_PATH_IMAGE006
浓度等参数信息。所述采集基站包括电源管理模块、控制器模块、通信模块、数据存储模块。监测中心包括GPRS网关和数据中心。本发明可实时采集多种环境参数信息。

Description

化工园区有毒有害气体监测系统
技术领域
本发明属于无线传感器网络、嵌入式系统技术领域，具体涉及一种可用于化工园区有毒有害气体监测系统。
背景技术
近年来，随着我国经济的持续快速发展，各地的化工园区蓬勃兴起，同时产生的环境问题也越来越受到人们重视。对化工园区的实时监测，有利于对环境的保护，有助于政府的统筹规划。
无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBee网络主要是为了工业现场自动化控制数据传输而建立的。
发明内容：
本发明提供了一种可采集和处理化工园区空气中的温度、湿度、气压、                                               
Figure 2011101364660100002DEST_PATH_IMAGE002
浓度、
Figure 2011101364660100002DEST_PATH_IMAGE004
浓度、
Figure 2011101364660100002DEST_PATH_IMAGE006
浓度等环境参数的监测系统，该系统体积小、成本低、功耗低，可靠性高。
本发明具体方案为：
化工园区有毒有害气体监测系统包括传感器节点、采集基站以及监测中心。
所述传感器节点包括电源管理模块、控制器模块、检测模块、通信模块以及数据存储模块，负责感知、处理和传输温度、湿度、气压、
Figure 917065DEST_PATH_IMAGE002
浓度、
Figure 709571DEST_PATH_IMAGE004
浓度、
Figure 426992DEST_PATH_IMAGE006
浓度等参数信息。
所述传感器节点电源管理模块包括型号为JS-12V-4.4AH的12V锂电池，以LM2596电压调节器为核心的5V电压转换电路，以LM1117-3.3电压调节器为核心的3.3V电压转换电路，以LM1117-1.8电压调节器为核心1.8V电压转换电路。锂电池输出电压供给变送器，通过电压转换电路转换成5V电源供给检测模块、3.3V电压转换电路。3.3V电源供给检测模块、通信模块、数据存储模块、控制器模块以及1.8V电压转换电路。1.8V电源供给控制器模块。
所述传感器节点控制器模块包括型号为AT91SAM7S64的控制器。控制器模块连接电源模块、检测模块、通信模块以及数据存储模块。
所述传感器节点检测模块包括型号为PC62的温湿度变送器、型号为MS5607的气压检测芯片、型号为BG-EX-的硫化氢浓度变送器、型号为BG-EX-
Figure 7545DEST_PATH_IMAGE004
二氧化硫浓度变送器、型号为BG-EX-氯气浓度变送器以及以LM324AN为核心的I/V转换电路。变送器输入与I/V转换电路连接；I/V转换电路输出与控制器AD接口连接；气压检测芯片与控制器SPI接口连接。
所述传感器节点通信模块包括以MAX3232为核心的RS-232串口通信电平接口转换电路，与控制器模块的UART接口连接，通信模块电源端与3.3V电压转换电路连接。
所述传感器节点数据存储模块包括型号为AT45DB161D的Flash以及SD_CARD存储，与控制器模块SPI接口连接，数据存储模块电源端与3.3V电压转换电路连接。
所述采集基站包括电源管理模块、控制器模块、通信模块、数据存储模块，可与传感器节点通用，基站与传感器节点的不同之处是基站无需采集数据，不挂接传感器，主要功能是处理并发送节点采集的环境参数和报警信息。
所述采集基站通信模块包括以MAX3232为核心的RS-232串口通信电平接口转换电路，与控制器模块的UART接口连接，通信模块电源端与3.3V电压转换电路连接。通信模块通过GPRS与监测中心进行信息交互；通过ZigBee与传感器节点进行信息交互。
所述监测中心包括GPRS网关和数据中心。GPRS网关负责接收基站发送的环境参数和报警信息，数据中心主要由服务器构成，通过串口或以太网口与GPRS网关连接，服务器的应用程序将压缩编码的环境参数解压缩并以实时曲线或者报表的方式显示。此外，监测中心还包括数据库和监控软件。监控软件提供完整的监控界面，实现历史数据查询、实时数据显示、数据分析、报警状态指示及查询等功能。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
（1） 本发明可实时采集多种环境参数信息；
（2） 采用了ZigBee技术,与其他通信方式相比，降低了功耗、减少了成本、提高了传输速率、实时性更强；
（3） 设备各部件均采用符合工业级标准的器件，在恶劣环境下具有较强的适应性；
（4） 传感器节点、基站均充分考虑防潮、防腐、防爆、及本质安全等因素，采用防护等级IP66、防爆等级Ex ia IICT6的设计。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明传感器节点结构示意图；
图3a、3b、3c为本发明传感器节点电源管理模块原理图；
图4为本发明传感器节点控制器模块原理图；
图5为本发明传感器节点气体检测模块原理图；
图6为本发明传感器节点通信模块原理图；
图7为本发明传感器节点数据存储模块原理图；
图8为本发明采集基站结构示意图；
图9为本发明采集基站通信模块原理图。
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，本发明系统结构分为三个层次：传感器节点、采集基站、监测中心。将整个化工园区分成若干子区域，各子区域传感器节点采集温度、湿度、气压、
Figure 34724DEST_PATH_IMAGE002
浓度、
Figure 171307DEST_PATH_IMAGE004
浓度、浓度等环境参数，通过ZigBee技术实现节点间信息传递并最终与采集基站完成信息交互；监测中心通过GPRS网络与多个采集基站连接，获取相关子区域传感器节点采集的环境参数，并进行处理和分析，监测化工园区的大气环境状况的变化。远程终端用户通过Internet实现对化工园区大气环境的全天候实时监测，对采集到的数据进行处理分析，做出判断或决策。
如图2所示，传感器节点由电源管理模块、控制器模块、气体检测模块、通信模块和数据存储模块。传感器节点是网络的基本单元。基于ZigBee技术的有毒有害气体监测网络由大量体积小、成本低，具有无线通信、数据处理功能的传感器节点组成。传感器节点负责采集和处理化工园区空气中的温度、湿度、气压、
Figure 207451DEST_PATH_IMAGE002
浓度、
Figure 899463DEST_PATH_IMAGE004
浓度、
Figure 636475DEST_PATH_IMAGE006
浓度等参数信息。
如图3a、3b、3c所示，传感器节点电源管理模块包括12V锂电池，5V电压转换电路(图3a)，3.3V电压转换电路(图3b)，1.8V电压转换电路(图3c)。12V锂电池的型号为JS-12V-4.4AH，通过JP6接入5V电压转换电路。锂电池正极接JP6的2引脚，负极接JP6的1引脚。电容C13正极接JP6的2引脚；负极接地。5V电压转换电路(图3a)的核心是型号为LM2596的电压调节器。该电压调节器1引脚为输入引脚，连接JP6的2引脚；2引脚为5V电压输出引脚；3引脚和5引脚接地；4引脚串联一个电感L1连接5V电压输出。二极管D3正极接地，负极接LM2596电压调节器的2引脚。电容C14正极接LM2596电压调节器的2引脚，负极接地。5V电压转换电路的输出供给检测模块，3.3V电压转换电路。3.3V电压转换电路(图3b)的核心是型号为LM1117-3.3的电压调节器。JP5的2引脚连接5V电压转换电路输出；1引脚连接电压调节器的1引脚。J8的3引脚连接电压调节器1引脚；1、2引脚接地。电容C3、C4的正极连接J8的3引脚，负极接地。电压调节器2引脚接地；3引脚为3V电压输出引脚。电容C2、C6正极连接电压调节器3引脚，负极接地。3.3V电压转换电路的输出供给气压检测芯片、通信模块、数据存储模块、控制器模块以及1.8V电压转换电路。1.8V电压转换电路(图3c)的核心是型号为LM1117-1.8的电压调节器。电容C7、C8正极连接电压调节器1引脚，负极接地。电压调节器1引脚连接3.3V电压转换电路输出；2引脚接地；3引脚为1.8V电压输出引脚。电容C9、C10连接电压调节器3引脚。1.8V电压转换电路的输出供给控制器模块。
如图4所示，传感器节点控制器模块核心是型号为AT91SAM7S64的控制器。控制器的UART接口34引脚、14引脚、35引脚、11引脚与通信模块连接。控制器AD接口3引脚、 4引脚、5引脚、9引脚、10引脚与检测模块连接。控制器7引脚、18引脚、45引脚、58引脚、59引脚与3.3V电压转换电路输出连接。控制器1引脚、8引脚、12引脚、24引脚、54引脚、64引脚与1.8V电压转换电路输出连接。控制器2引脚、17引脚、46引脚、60引脚接地。电容C5、C6、C7、C8、C9正极连接1.8V电压转换电路输出，负极接地。电容C10、C11、C12、C13、C14、C15正极连接3.3V电压转换电路输出，负极接地。复位电路采取简单按键复位，控制器复位信号输入引脚39引脚通过按键S1接地，S1按下后，给控制器复位信号，手动复位控制器。
如图5所示，传感器节点检测模块包括温湿度变送器、气压检测芯片、硫化氢浓度变送器、二氧化硫浓度变送器、氯气浓度变送器以及I/V转换电路。I/V转换电路核心器件型号为LM324AN。I/V转换电路U4A的1引脚串联一个电阻R21连接控制器9引脚；2引脚串联一个电阻R20连接温度输入信号T1；3引脚连接1引脚；4引脚连接5V转换电压输出；11引脚接地。电阻R15一端接地，另一端连接温度输入信号T1。电容C15正极接I/V转换电路U4A的2引脚，负极接地。I/V转换电路U4B的7引脚串联一个电阻R24连接控制器10引脚；6引脚串联一个电阻R23连接湿度输入信号T2；5引脚连接7引脚；4引脚连接5V电压转换电路输出；11引脚接地。电阻R22一端连接湿度输入信号T2，另一端接地。电容C16正极连接I/V转换电路U4B的6引脚，负极接地。I/V转换电路U4C的8引脚串联一个电阻R27连接控制器3引脚；9引脚串联一个电阻R26连接硫化氢浓度输入信号；10引脚连接8引脚；4引脚连接5V电压转换电路输出；11引脚接地。电阻R25一端连接硫化氢浓度输入信号T3，另一端接地。电容C17正极连接I/V转换电路U4C的9引脚，负极接地。I/V转换电路U4D的14引脚串联一个电阻R30连接控制器4引脚；13引脚串联一个电阻R29连接二氧化硫浓度输入信号T4；12引脚连接14引脚；4引脚连接5V电压转换电路输出；11引脚接地。电阻R28一端连接二氧化硫浓度输入信号T4，另一端接地。电容C18正极连接I/V转换电路U4D的13引脚，负极接地。I/V转换电路U7B的7引脚串联一个电阻R33连接控制器5引脚；6引脚串联一个电阻R32连接氯气浓度输入信号T5；5引脚连接7引脚；4引脚连接5V电压转换电路输出；11引脚接地。电阻R31一端连接氯气浓度输入信号T5，另一端接地。电容C19正极连接I/V转换电路U7B的6引脚，负极接地。气压检测芯片型号为MS5607，1引脚连接3.3V电压转换电路输出，2、3引脚接地，4、5引脚连接控制器52引脚，6引脚连接控制器27引脚，7引脚连接控制器22引脚，8引脚连接控制器21引脚。电容C20正极接3.3V电压转换电路输出，负极接地。温湿度变送器型号为PC62，温度量程-20~+80℃，温度精度±0.2℃，湿度量程0-100%RH，湿度精度<±2%RH。硫化氢浓度变送器型号为BG-EX-
Figure 97544DEST_PATH_IMAGE002
，量程0-100PPm，精度为<±2%(F.S)。二氧化硫浓度变送器型号为BG-EX-
Figure 527388DEST_PATH_IMAGE004
，量程0-100PPm，精度为<±2%(F.S)。氯气浓度变送器型号为BG-EX-
Figure 208161DEST_PATH_IMAGE006
，量程0-20PPm，精度为<±2%(F.S)。
如图6所示，传感器节点通信模块包括以MAX3232为核心的RS-232串口通信电平接口转换电路。ZigBee模块通过RS-232串口通信电平转换电路和控制器连接。RS-232串口通信电平转换电路1引脚连接电容C5正极；2引脚连接电容C8正极，C8负极连接16引脚；3引脚连接电容C5负极；4引脚连接电容C9正极；5引脚连接电容C9负极；6引脚接地；7引脚连接RS-232接头COMB的2引脚；8引脚连接RS-232接头COMB的3引脚；9引脚连接控制器11引脚；10引脚连接控制器14引脚；15引脚连接电容C7正极，C7负极接地；16引脚连接3.3V电压转换电路输出。电容C10正极连接RS-232串口通信电平转换电路16引脚，C10负极接地。RS-232接头COMB的5引脚接地。
如图7所示，传感器节点数据存储模块包括型号为AT45DB161D的Flash以及SD_CARD存储。Flash的1引脚连接控制器22引脚；2引脚连接控制器21引脚；3、5、6引脚连接3.3V电压转换电路输出；4引脚连接JP3的1引脚；7引脚接地；8引脚连接控制器27引脚。SD_CARD的1引脚连接JP3的3引脚；2引脚连接控制器22引脚；4引脚连接电源SD_VDD；5引脚连接控制器21引脚；7引脚连接控制器27引脚；8、9引脚分别串联一个电阻R12、R13连接13引脚；3、6、12、14、15引脚接地。电阻R15一端连接SD_CARD的1引脚，另一端连接电源SD_VDD。电阻R16一端连接SD_CARD的2引脚，另一端连接电源SD_VDD。电阻R17一端连接SD_CARD的5引脚，另一端连接电源SD_VDD。电阻R18一端连接SD_CARD的7引脚，另一端连接电源SD_VDD。电阻R14一端连接3.3V电压转换电路输出，另一端连接电容C11正极。电容C11正极引出电源SD_VDD，负极接地。JP3的2引脚连接控制器28引脚。通过JP3来选择存储方式：JP3的1、2引脚连接时，选择Flash存储；JP3的2、3引脚连接时，选择SD_CARD存储。
如图8所示，本发明采集基站包括电源管理模块、通信模块、控制器模块、数据存储模块。分布在ZigBee网络中的采集基站用于接收子区域内的多个传感器节点采集的环境参数和报警信息，对其进行融合处理后，经GPRS网络传送至监测中心。采集基站在整个监测网络中充当ZigBee网络和GPRS网络之间的网关。采集基站可与传感器节点通用，基站与传感器节点的不同之处是基站无需采集数据，不挂接传感器，主要功能是处理并发送节点采集的环境参数和报警信息。
如图9所示，本发明采集基站通信模块包括以MAX3232为核心的RS-232串口通信电平接口转换电路。GPRS与ZigBee通过RS-232串口通信电平转换电路和控制器UART接口连接。RS-232串口通信电平转换电路1引脚连接电容C5正极；2引脚连接电容C8正极，C8负极连接16引脚；3引脚连接电容C5负极；4引脚连接电容C9正极；5引脚连接电容C9负极；6引脚接地；7引脚连接RS-232接头COMB的2引脚；8引脚连接RS-232接头COMB的3引脚；9引脚连接控制器11引脚；10引脚连接控制器14引脚；11引脚连接控制器34引脚；12引脚连接控制器35引脚；13引脚连接RS-232接头COMA的3引脚；14引脚连接RS-232接头COMA的2引脚；15引脚连接电容C7正极，C7负极接地；16引脚连接3.3V电压转换电路输出。电容C10正极连接RS-232串口通信电平转换电路16引脚，C10负极接地。RS-232接头COMA和COMB的5引脚接地。
本发明工作过程为：将整个化工园区分成若干子区域，各子区域传感器节点采集环境参数，通过ZigBee技术实现节点间信息传递并最终与采集基站完成信息交互；监测中心通过GPRS网络与多个采集基站连接，获取相关子区域传感器节点采集的环境参数，并进行处理和分析，监测化工园区的大气环境状况的变化。远程终端用户通过Internet实现对化工园区大气环境的全天候实时监测，对采集到的数据进行处理分析，做出判断或决策。

Claims (1)

1.可用于化工园区有毒有害气体监测的传感器节点，包括传感器节点、采集基站以及监测中心，其特征在于：
所述传感器节点包括电源管理模块、控制器模块、检测模块、通信模块以及数据存储模块，负责感知、处理和传输温度、湿度、气压、                                               浓度、
Figure 2011101364660100001DEST_PATH_IMAGE004
浓度、
Figure 2011101364660100001DEST_PATH_IMAGE006
浓度参数信息；
所述传感器节点中的电源管理模块包括型号为JS-12V-4.4AH的12V锂电池，以LM2596电压调节器为核心的5V电压转换电路，以LM1117-3.3电压调节器为核心的3.3V电压转换电路，以LM1117-1.8电压调节器为核心1.8V电压转换电路；锂电池输出电压供给变送器，通过电压转换电路转换成5V电源供给检测模块、3.3V电压转换电路；3.3V电源供给检测模块、通信模块、数据存储模块、控制器模块以及1.8V电压转换电路；1.8V电源供给控制器模块；
所述传感器节点中的控制器模块包括型号为AT91SAM7S64的控制器；控制器模块连接电源模块、检测模块、通信模块以及数据存储模块；
所述传感器节点中的检测模块包括型号为PC62的温湿度变送器、型号为MS5607的气压检测芯片、型号为BG-EX-
Figure 989877DEST_PATH_IMAGE002
的硫化氢浓度变送器、型号为BG-EX-
Figure 571031DEST_PATH_IMAGE004
二氧化硫浓度变送器、型号为BG-EX-
Figure 906197DEST_PATH_IMAGE006
氯气浓度变送器以及以LM324AN为核心的I/V转换电路；变送器输入与I/V转换电路连接；I/V转换电路输出与控制器AD接口连接；气压检测芯片与控制器SPI接口连接；
所述传感器节点中的通信模块包括以MAX3232为核心的RS-232串口通信电平接口转换电路，与控制器模块的UART接口连接，通信模块电源端与3.3V电压转换电路连接；
所述传感器节点中的数据存储模块包括型号为AT45DB161D的Flash以及SD_CARD存储，与控制器模块SPI接口连接，数据存储模块电源端与3.3V电压转换电路连接；
所述采集基站包括电源管理模块、控制器模块、通信模块、数据存储模块，可与传感器节点通用，采集基站处理并发送节点采集的环境参数和报警信息；
所述采集基站通信模块包括以MAX3232为核心的RS-232串口通信电平接口转换电路，与控制器模块的UART接口连接，通信模块电源端与3.3V电压转换电路连接；通信模块通过GPRS与监测中心进行信息交互；通过ZigBee与传感器节点进行信息交互；
所述监测中心包括GPRS网关和数据中心；GPRS网关负责接收基站发送的环境参数和报警信息，数据中心主要由服务器构成，通过串口或以太网口与GPRS网关连接。
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