CN103364365A - 空气中天然气含量wsn传感器节点 - Google Patents

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杨鹏
范晓勇
张立
张源庠
周洋
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Abstract

本发明提供一种空气中天然气含量WSN传感器节点,包括红外气体传感器及其信号调理电路、光源驱动电路、声光报警器及报警驱动电路和无线微控制器,红外气体传感器与红外气体传感器中的光源连接,光源驱动电路、信号调理电路和报警驱动电路均分别连接到无线微控制器的一个I/O端口,还包括置于所述红外气体传感器内的温度传感器,温度传感器通过差动放大器连接到信号调理电路。本发明将温度传感器内置于红外探测器内部对环境温度进行自动补偿,无需人为校正,具有测量范围宽、精度和灵敏度高、可靠性高、抗干扰能力强及功耗低等诸多优点,使用方便,维护成本低,软件系统可及时更新,适应了物联网技术发展的要求,具有广阔的应用前景。

Description

空气中天然气含量WSN传感器节点
技术领域
[0001] 本发明涉及一种WSN传感器节点,尤其是空气中天然气含量WSN传感器节点。
背景技术
[0002] 天然气的主要成分是甲烷,甲烷是工业领域和城市煤气中的爆炸成分,对周围环境中的甲烷气体进行早期安全检测是十分必要的。家居中人们很少重视气体的含量,也就无从知道环境中天然气的含量,所以为了保证家人的生命财产安全,防止明火引发爆炸,必须能监测到房间内天然气的含量。
[0003] 甲烷含量检测的方法主要有两类:一类是利用甲烷浓度和光的折射率的关系用干涉法测量,另一类是利用甲烷气体的光谱吸收特性检测甲烷浓度。干涉型传感器需经常调校,易受其他气体的干扰,其可靠性及稳定性均较差,而光谱吸收法目前技术相对成熟。近年来,由于光纤及光电探测技术的发展,光纤可以实现信号的长距离传输,而且光纤传感所用的光功率较低,相对安全,所以传感头可以放入有毒、高温及易燃易爆气体放等恶劣环境中,实现对现场的安全实时遥测。
[0004]目前,大部分空气中天然气含量即甲烷含量检测传感器,易受恶劣环境影响,采集精度差,零点漂移严重,隔一段时间需人为校正,既增大了维护成本,又降低了测量精度。
发明内容
[0005] 本发明的目的是为克服目前甲烷含量检测传感器易受恶劣环境影响、零点漂移严重、测量精度低及维护成本高的缺点。
[0006] 为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
提供一种空气中天然气含量WSN传感器节点,包括红外气体传感器及其信号调理电路、光源驱动电路、声光报警器及报警驱动电路和无线微控制器,红外气体传感器与红外气体传感器中的光源连接,光源驱动电路、信号调理电路和报警驱动电路均分别连接到无线微控制器的一个I/O端口,还包括置于所述红外气体传感器内的温度传感器,温度传感器通过差动放大器连接到信号调理电路。
[0007] 所述红外气体传感器包括米样气室和伸入米样气室内位于米样气室一内壁上的光源,米样气室一侧壁上分别设有气体入口和出口,米样气室另一与光源所在内壁对称的内壁上设有测量滤光片和参考滤光片,光源通过测量滤光片后输出测量信号GAS,光源通过参考滤光片后输出参考信号REF。
[0008] 所述信号调理电路包括同相放大器一、同相放大器二、除法器、二阶滤波器、同相加法器和跟随器,所述测量信号GAS连接到同相放大器一的输入端,所述参考信号REF连接到同相放大器二的输入端,同相放大器一和同相放大器二的输出端均连接到除法器的输入端,除法器的输出端连接到二阶滤波器的输入端,二阶滤波器的输出端和所述差动放大器的输出端分别连接到同相加法器的两个输入端,同相加法器的输出端连接到跟随器的输入端,跟随器的输出端连接到所述无线微控制器的一个I/O端口。[0009] 所述温度传感器为硅二极管。
[0010] 本发明采用ZigBee技术及JN5139无线混合信号微控制器,从WSN(无线传感器网络)的基本单元出发,采用红外吸收型气体传感器采集数据,设计了基于JN5139无线微控制器的具有全功能设备(FFD)的灵活多变、性能优越的空气中天然气含量传感器节点,为组建高性能的WSN做了基础性的工作,系统配置灵活,具有路由和节点定位功能,节约能耗,无需很大改动便可以应用于各种网络拓扑结构中。本发明将温度传感器内置于红外探测器内部对环境温度进行自动补偿,无需人为校正,具有测量范围宽、精度和灵敏度高、响应速度快、选择性好、可靠性高、抗干扰能力强及功耗低等诸多优点,使用方便,维护成本低,软件系统可及时更新,适应了物联网技术发展的要求,具有广阔的应用前景。
附图说明
[0011] 图1为本发明原理框图;
图2为红外吸收型气体传感器结构图;
图3为信号调理电路原理框图;
图4为温度传感器及其差动放大器电气原理图;
图5为同相放大器一电气原理图;
图6为同相放大器二电气原理图;
图7为除法器电气原理图;
图8为二阶滤波器电气原理图;
图9为同相加法器电气原理图。
[0012] 图中:1.JN5139无线微控制器,2.红外气体传感器,3.信号调理电路,4.温度传感器,5.差动放大器,6.光源驱动电路,7.报警驱动电路,8.声光报警器,9.同相放大器一,
10.同相放大二,11.除法器,12.二阶滤波器,13.同相加法器,14.跟随器,15.采样气室,16.光源,17.气体入口,18.气体出口,19.测量滤光片,20.参考滤光片,21.测量信号GAS端子,22.参考信号REF端子。
具体实施方式
[0013] 下面结合附图对本发明作进一步说明:
如图2所示,待测气体从气体入口 17进入采样气室15,从气体出口 18流出采样气室15,气体对光源16发出的红外线有所吸收,光源经采样气室15、测量滤光片19和参考滤光片20后从测量信号GAS端子21和参考信号REF端子22输出两路光信号,即测量信号GAS和参考信号REF ;如图3所不,测量信号GAS输入同相放大器一 9,参考信号REF输入同相放大器二 10,同相放大器一 9和同相放大器二 10的输出信号均输入到除法器11,除法器11的输出信号输入到二阶滤波器12, 二阶滤波器12的输出信号和差动放大器5的输出信号均输入到同相加法器13,同相加法器13的输出信号输入到跟随器14,跟随器14的输出端连接到高性能、低功耗SOC模块JN5139型无线微控制器I的一个I/O端口 ;如图1所示,红外气体传感器2采用红外吸收型气体传感器IR32BC,其信号输入端经光源驱动电路6连接到无线微控制器I的一个I/O端口,红外气体传感器2输出的采样信号经信号调理电路3连接到无线微控制器I的一个I/O端口,即图3中跟随器14所连接的那个I/O端口;如图4所示,温度传感器4采用硅二极管,其采样信号经差动放大器5后连接到信号调理电路3中同相加法器13的一个输入端,实现环境温度补偿;声光报警器8通过报警驱动电路7连接到无线微控制器I的一个I/O端口。
[0014] 图4-图9中运放型号均为0P07,除法器11实现比值运算,根据朗伯-比尔定律,两路信号都与当前光强成正比,假设两路信号通道的比例因子分别为&和k2,对于气体测量信号:GAS Ic1 Ic^aa,对于参考信号:REF Ic2Itl,其中,Itl表不气体吸收后的透射光强,a表示吸收系数,C表示待测气体浓度,L表示光路长度,即光线在待测气体中穿过的有效路径长度。由于光强很难准确测量,为了消除光强因子的影响,对测量信号GAS和参考信号REF求比值,从而消除了光源的影响,提高了测量的准确性。除法器11的输出信号输入二阶低通滤波器12,二阶低通滤波器12的输出信号输入同相加法器13,与来自温度传感器差动放大器5的信号实现加法运算·,补偿温度带来的误差。

Claims (4)

1.一种空气中天然气含量WSN传感器节点,包括红外气体传感器及其信号调理电路、光源驱动电路、声光报警器及报警驱动电路和无线微控制器,红外气体传感器与红外气体传感器中的光源连接,光源驱动电路、信号调理电路和报警驱动电路均分别连接到无线微控制器的一个I/o端口,其特征在于: 还包括置于所述红外气体传感器内的温度传感器,温度传感器通过差动放大器连接到信号调理电路。
2.根据权利要求1所述的空气中天然气含量WSN传感器节点,其特征在于: 所述红外气体传感器包括米样气室和伸入米样气室内位于米样气室一内壁上的光源,采样气室一侧壁上分别设有气体入口和出口,采样气室另一与光源所在内壁对称的内壁上设有测量滤光片和参考滤光片,光源通过测量滤光片后输出测量信号GAS,光源通过参考滤光片后输出参考信号REF。
3.根据权利要求2所述的空气中天然气含量WSN传感器节点,其特征在于: 所述信号调理电路包括同相放大器一、同相放大器二、除法器、二阶滤波器、同相加法器和跟随器,所述测量信号GAS连接到同相放大器一的输入端,所述参考信号REF连接到同相放大器二的输入端,同相放大器一和同相放大器二的输出端均连接到除法器的输入端,除法器的输出端连接到二阶滤波器的输入端,二阶滤波器的输出端和所述差动放大器的输出端分别连接到同相加法器的两个输入端,同相加法器的输出端连接到跟随器的输入端,跟随器的输出端连接到所述无线微控制器的一个I/O端口。
4.根据权利要求1所述的空气中天然气含量WSN传感器节点,其特征在于: 所述温度传感器为硅二极管。
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