CN103399555A - 可燃、有毒气体无线智能监控系统 - Google Patents

Abstract

一种可燃、有毒气体无线智能监控系统，包括现场硬件设备、通信网络设备、监控计算机平台，现场硬件设备为无线智能传感器，通信网络设备为系统子网网管，该系统子网网管同时采用了Zigbee和Wi-Fi两大无线技术组合研制而成，监控计算机平台实时的接收多台无线智能传感器经系统子网网管集中处理并通过Wi-Fi网络长距离传输的数据，此监控计算机平台即在一台或多台对等共享网络计算机上，预测出即将或可能出现的危险区域分布，并在监控计算机平台给予明确的预报警指示，同时智能随机提供一条或多条相对安全的现场通道。

Description

可燃、有毒气体无线智能监控系统

技术领域

本发明涉及一种监控系统，尤其涉及一种可燃、有毒气体无线智能监控系统。 

背景技术

可燃、有毒气体检测系统当前的行业形势，以及国家对物联网应用的大力推广，对本发明的产生创造了有利的条件。随着国家、行业对人身安全和职业健康卫生工作的重视，可燃、有毒气体检测系统的设计、安装、调试与使用在很多大中型企业的新建、改建、扩建项目上，都受到了严格的审查，并有大量的使用。国家级标准GB50493-2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》，SH3063-1999《石油、化工企业气体检测报警设计规范》，JJG693-2004《可燃气体检测报警器检定规定》（中华人民共和国国家计量检定规程）等详细规定了相关工作的指导内容。目前，市场上的可燃、有毒气体检测系统为传统的有线型式，无论供电、信号传输都需要线缆的连接，这样，就给施工过程带来一些难度，同时需要桥架、线缆保护管、线缆等主要材料，调试过程以在现场为主，由于安装地点分散，给调试同样带来了一些难度。 

发明内容

本发明的目的是提供一种安装方便、调试方便、使用效果好的可燃、有毒气体无线智能监控系统。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种可燃、有毒气体无线智能监控系统，其特征是：包括现场硬件设备、通信网络设备、监控计算机平台，现场硬件设备为无线智能传感器，通信网络设备为系统子网网管，该系统子网网管同时采用了Zigbee和Wi-Fi两大无线技术组合研制而成，通信网络集成方案为由zigbee无线网络技术组网的现场多个无线智能传感器子网和wi-fi无线互联技术组网的远距离传输网络及对等计算机共享网络联合组建而成，监控计算机平台实时的接收多台无线智能传感器经系统子网网管集中处理并通过Wi-Fi网络长距离传输的数据，此监控计算机平台即在一台或多台对等共享网络计算机上，以复杂的时空两维信号融合滤波算法为系统核心，采用拟神经元计算模糊编程法结合Ajax技术，同时结合了数据库技术，使本地用户或网络远程用户通过访问域名或IP的方式进行实时监控、网络监控、供电监控、报警确认、实时数据显示、历史数据查询、历史事件查询和报表生成打印功能，预测出即将或可能出现的危险区域分布，并在监控计算机平台给予明确的预报警指示，同时智能随机提供一条或多条相对安全的现场通道。 

此系统中，包含一种低功耗节能控制设计，该设计包括速率控制方法和硬件电路，低功耗节能控制设计对象为无线智能传感器，无线智能传感器主要的工作包括两个方面：一是把测量传感模块的输出信号转换并计算得到准确测量数值，这一工作速率为采样速率，二是自身加入无线传感子网网络，维持与子网网管的网络连接并上传测量数值，这一工作速率为上传速率，可使无线智能传感器的采样频率低、上传时间间隔大，此为最低工作模式或睡眠模式，通过算法预先判断为紧急情况下，急速提高采样频率、同时减小时间间隔，此为紧急工作模式，将自适应工作频率控制结合情景预判控制形成一种低功耗节能控制设计，将无线智能传感器采样速率和上传速率设计为可变的，采样间隔为t1，上传间隔为t2，t2=t1*n，n为正整数，在平时可增大t1和n，也即增大t2以降低节点功耗，约束条件是t2小于目标气体监测所要求的响应时间。 

此系统中，所述无线智能传感器包括传感器壳体1、传感器主电路板、传感器外置天线2和传感器电源按钮，其中传感器壳体为长方体，分为前盖、中壳和后盖，前盖设计为百叶窗型式，前盖与中壳之间有自然流道待测区间设计并通过百叶窗快速换气，后盖设计有永久性强力磁石和螺母固定吊耳，后盖与中壳之间设计有硬密封开槽，中壳内固定主电路板，主电路板上设计有接口，接口上插接控制器、测量传感模块、无线收发模块、供电电源模块，测量传感模块插接在主电路板上方位置，供电电源模块插接在主电路板左侧中间位置，控制器插接在主电路板正中心位置，无线收发模块插接在主电路板下方靠近外置天线位置，无线收发模块通过专用电缆线与外置天线连接，供电电源模块通过电缆线与电源按钮连接，外置天线和电源按钮位于中壳外面下部。 

此系统中，所述系统子网网管包括网管壳体、通信电路板、外置天线和电源按钮，其中网管壳体为长方体，分为前壳体和后壳体，前壳体和后壳体连接处设计有硬密封开槽，后壳体设计有永久性强力磁石和螺母固定吊耳，壳体内固定通信电路板，通信电路板上设计有接口，接口处插接控制器、协议转换模块、无线收发模块和供电电源模块，控制器插接在通信电路板正中心位置，协议转换模块插接在通信电路板上部位置，供电电源模块插接在通信电路板左侧中间位置，无线收发模块插接在主电路板下方靠近外置天线位置，无线收发模块通过电缆线与外置天线连接，供电电源模块通过电缆线与电源按钮连接，外置天线和电源按钮位于前壳体外面下部。 

本发明的优点效果在于：使用本发明，施工过程比较简单，不需要敷设供电、信号传输的电缆，这样，不但大大降低了施工成本，同样减少了施工周期，另外，本发明现场设备就位后，一切调试工作如设备标识修改，测量参数修改，网络参数修改等，可在一台监控计算机的专用软件平台上进行，直到系统运行正常，相比传统有线型式的系统，调试难度也大大减少，所以本发明可达到充分对生产系统预警的功能，使用效果好。 

附图说明

图1为本发明的的结构示意图； 

图2为本发明中无线智能传感器的结构示意图；

图3为无线智能传感器的传感器主电路板电路图；

附图中：1、传感器壳体；2、传感器外置天线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明： 

本发明如图1、2、3所示，一种可燃、有毒气体无线智能监控系统，由现场硬件设备、通信网络设备、监控计算机平台三大部分组成。现场硬件设备为无线智能传感器；通信网络设备为系统子网网管，该系统子网网管同时采用了Zigbee和Wi-Fi两大无线技术组合研制而成；通信网络集成方案为，由zigbee无线网络技术组网的现场多个无线智能传感器子网和wi-fi无线互联技术组网的远距离传输网络及对等计算机共享网络联合组建而成；监控计算机平台实时的接收多台无线智能传感器经系统子网网管集中处理并通过Wi-Fi网络长距离传输的数据，此监控计算机平台即在一台或多台对等共享网络计算机上，以复杂的时空两维信号融合滤波算法为系统核心，采用拟神经元计算模糊编程法结合Ajax技术，同时结合了数据库技术，使本地用户或网络远程用户通过访问域名或IP的方式进行实时监控、网络监控、供电监控、报警确认、实时数据显示、历史数据查询、历史事件查询、报表生成打印等功能，预测出即将或可能出现的危险区域分布，并在监控计算机平台给予明确的预报警指示，同时可智能随机提供一条或多条相对安全的现场通道。在本实施例中，包含一种低功耗节能控制设计，该设计包括速率控制方法和硬件电路。低功耗节能控制设计对象为无线智能传感器。无线智能传感器主要的工作包括两个方面：一是把测量传感模块的输出信号转换并计算得到准确测量数值，这一工作速率为采样速率；二是自身加入无线传感子网网络，维持与子网网管的网络连接并上传测量数值，这一工作速率为上传速率。一般安全情况下，可使无线智能传感器的采样频率低、上传时间间隔稍大，此为最低可工作模式或睡眠模式；通过算法预先判断为紧急情况下，可急速提高采样频率、同时减小时间间隔，此为紧急工作模式。因此将自适应工作频率控制结合情景预判控制形成一种低功耗节能控制设计，将无线智能传感器采样速率和上传速率设计为可变的，采样间隔为t1，上传间隔为t2，t2=t1*n，n为正整数，在平时可增大t1和n，也即增大t2以降低节点功耗，约束条件是t2小于目标气体监测所要求的响应时间，例如5秒钟传感器采集一次数据，10秒钟上传一次数据，在紧急时刻减小t1和n，也即减小t2，满足紧急情况监测的需求，此时低功耗的考虑让位于紧急情况的高强度监测，例如1秒采集一次数据并即刻上传。在硬件电路设计方面，综合考虑到各种因素，包括最大输出电压范围，减小功率损耗，转换电路中运放零点偏移，以及结合传感器自身特点设计以减少传感器上电响应时间等。为了减少传感器电路上电时传感器响应时间，特意加入NPN型三极管，以减少管脚1和管家3之间的压差。在本实施例中，无线智能传感器组成及其特征是：由表体、主电路板、外置天线和电源按钮组成。其中表体采用标准长方体设计结构，分解为前盖、中壳和后盖；前盖设计为百叶窗型式，前盖与中壳之间有自然流道待测区间设计并通过百叶窗可快速换气；后盖设计有永久性强力磁石和螺母固定吊耳，用于在钢制结构直接安装和支架上安装，后盖与中壳之间设计有硬密封开槽，用于无线智能传感器的防水、防爆，可达到IP67和EXDIICT6标准；中壳内固定主电路板，主电路板上研发各种接口，插接控制器、测量传感模块、无线收发模块、供电电源模块，测量传感模块插接在主电路板上方位置，供电供电电源模块插接在主电路板左侧中间位置，控制器插接在主电路板正中心位置，无线收发模块插接在主电路板下方、靠近外置天线位置。无线收发模块通过专用电缆线与外置天线连接、供电电源模块通过电缆线与电源按钮连接，外置天线和电源按钮位于中壳外面下部。在本实施例中，子网网管组成及其特征是：由表体、通信电路板、外置天线和电源按钮组成。其中表体采用标准长方体设计结构，分解为前壳体和后壳体；前壳体和后壳体连接处设计有硬密封开槽，用于子网网管的防水、防爆，可达到IP67和EXDIICT6标准；后壳体设计有永久性强力磁石和螺母固定吊耳，用于在钢制结构直接安装和支架上安装；壳体内固定通信电路板，通信电路板上研发各种接口，插接控制器、协议转换模块、无线收发模块、供电电源模块，控制器插接在通信电路板正中心位置，协议转换模块插接在通信电路板上部位置，供电电源模块插接在通信电路板左侧中间位置，无线收发模块插接在主电路板下方、靠近外置天线位置。无线收发模块通过专用电缆线与外置天线连接、供电电源模块通过电缆线与电源按钮连接，外置天线和电源按钮位于前壳体外面下部。

本发明使用无线智能传感器，无需传统的有线信号传输和有线供电，为安装施工节省了50%以上的时间；为安装节省了75%以上的材料开支；无需在每台传感器终端进行调试，可统一在监控中心进行参数设定和系统调试，为调试节省了30%的时间，可实现“安装即调试”的理念。每台无线智能传感器上传数据周期可小于等于1秒更新一次，每台无线智能传感器采用一节3V电池供电，可正常运行2年以上，同时智能无线传感器外壳综合了防尘、防水、防爆功能。 

该系统子网网管设计上同时采用了ZigBee和Wi-Fi两大无线技术组合而成，研发了通信主板与其上面zigbee模块接口和wi-fi无线技术接口；系统每个子网配备一对冗余的系统子网网管，一用一备，实现无扰动切换功能，用于其Zigbee子网中每台无线智能传感器的数据汇总、按照程式快速封包和协议转换并上传至无线长途收发并行通信网。由ZigBee无线网络技术组网的现场多个Zigbee子网和Wi-Fi无线互联技术组网的远距离传输网络及对等计算机共享网络联合组建而成，Zigbee子网有低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全的优势，远距离传输有速度快、传输的信息量大的优势。 

监控中心平台,以复杂的时空两维信号融合滤波算法为系统核心，采用拟神经元计算模糊编程法结合Ajax技术，同时结合了数据库技术，使本地用户或网络远程用户通过访问域名或IP的方式进行实时监控、网络监控、供电监控、报警确认、实时数据显示、历史数据查询、历史事件查询、报表生成打印等功能，预测出即将或可能出现的危险区域分布，并在监控中心多维空间平台给予明确的预报警指示，同时可智能随机提供一条或多条相对安全的现场通道。 

无线智能传感器在钢框架上可任意安装保持牢靠，被测气体与两种测量传感模块充分接触，同时具有防雨防溅功能。 

本发明中的无线智能传感器，其数据传输采用无线通信，供电采用干电池无线供电。 

根据预先设置的组网寻址规律，每台无线智能传感器可通过其周围的无线智能传感器为中继（设计可支持10跳），与其匹配的网管取得无线链接并同时向其发送数据传输申请和传输数据，多台散布在现场装置内的无线智能传感器与一对冗余的网管组成一个zigbee子网，根据现场装置的数量，本系统可容纳多个zigbee子网，每个zigbee子网的网管通过多对多的wi-fi长途收发设备将搜集整理的该子网全部无线智能传感器的实时测量数据通过wi-fi无线网络上传到多台监控中心平台计算机中，作为完成监控中心平台软件的各种功能的依据。 

本发明成果是利用电子集成电路技术、计算机软件编程技术、复杂算法和先进的通信网络架构型式而发明出一套完整、实用、稳定的人与物交流平台概念的“可燃、有毒气体无线智能监控系统”。 

本发明应用于以石油、煤炭及其衍生物为原料的化工企业生产装置内，可燃、有毒气体（如：常见的H2,H2S,CO,NH3等）在空气中含量的无线监测，本发明可达到充分对生产系统预警的功能。 

1.硫化氢（H2S）无线传感器基本参数 

参数	说明	值
			灵敏度（nA/ppm）	在20ppmH2S条件下	550~875
响应时间（s）	从0上升到20ppmH2S	<25
			零值电流	等价于空气中含量（ppm）	<±0.3
分辨率	平方根噪声（等价ppm）	<0.05
			范围	有效期内	100
线性	满量程有误，从0到20ppm程线性	0~-4
			（煤气加油炉）过吹限度（ppm）	稳定响应的最大值	500
零漂移	实验室气体下（ppm/年）	<0.1
			灵敏度漂移	实验室气体下，一月一测（%/年）	<3
工作寿命	降至初始信号的80%（月）	>24
			温度范围	℃	-30~50
压力范围	KPa	80~120
			湿度范围	%持续相对湿度	15~90

2.一氧化碳（CO）无线传感器基本参数

参数	说明	值
			灵敏度（nA/ppm）	在400ppmCO条件下	55~90
响应时间（s）	从0上升到400ppmCO	<25
			零值电流	等价于空气中含量（ppm）	<±2
分辨率	平方根噪声（等价ppm）	<0.5
			范围	有效期内	100
线性	满量程有误，从0到20ppm程线性	0~-4
			（煤气加油炉）过吹限度（ppm）	稳定响应的最大值	500
零漂移	实验室气体下（ppm/年）	<0.2
			灵敏度漂移	实验室气体下，一月一侧（%/年）	<8
工作寿命	降至初始信号的80%（月）	>24
			温度范围	℃	-30~50
压力范围	KPa	80~120
			湿度范围	%持续相对湿度	15~90

Claims (4)

1.一种可燃、有毒气体无线智能监控系统，其特征是：包括现场硬件设备、通信网络设备、监控计算机平台，现场硬件设备为无线智能传感器，通信网络设备为系统子网网管，该系统子网网管同时采用了Zigbee和Wi-Fi两大无线技术组合研制而成，通信网络集成方案为由zigbee无线网络技术组网的现场多个无线智能传感器子网和wi-fi无线互联技术组网的远距离传输网络及对等计算机共享网络联合组建而成，监控计算机平台实时的接收多台无线智能传感器经系统子网网管集中处理并通过Wi-Fi网络长距离传输的数据，此监控计算机平台即在一台或多台对等共享网络计算机上，以复杂的时空两维信号融合滤波算法为系统核心，采用拟神经元计算模糊编程法结合Ajax技术，同时结合了数据库技术，使本地用户或网络远程用户通过访问域名或IP的方式进行实时监控、网络监控、供电监控、报警确认、实时数据显示、历史数据查询、历史事件查询和报表生成打印功能，预测出即将或可能出现的危险区域分布，并在监控计算机平台给予明确的预报警指示，同时智能随机提供一条或多条相对安全的现场通道。

2.根据权利要求1所述的可燃、有毒气体无线智能监控系统，其特征是：包含一种低功耗节能控制设计，该设计包括速率控制方法和硬件电路，低功耗节能控制设计对象为无线智能传感器，无线智能传感器主要的工作包括两个方面：一是把测量传感模块的输出信号转换并计算得到准确测量数值，这一工作速率为采样速率，二是自身加入无线传感子网网络，维持与子网网管的网络连接并上传测量数值，这一工作速率为上传速率；正常情况下，无线智能传感器的采样频率低、上传时间间隔大，此为最低工作模式或睡眠模式；通过算法预先判断为紧急情况下，急速提高采样频率、同时减小时间间隔，此为紧急工作模式，将自适应工作频率控制结合情景预判控制形成一种低功耗节能控制设计，将无线智能传感器采样速率和上传速率设计为可变的，采样间隔为t1，上传间隔为t2，t2=t1*n，n为正整数，在平时可增大t1和n，也即增大t2以降低节点功耗，约束条件是t2小于目标气体监测所要求的响应时间，为了减少传感器电路上电时传感器响应时间，特意加入NPN型三极管，以减少管脚1和管家3之间的压差。

3.根据权利要求1或2所述的可燃、有毒气体无线智能监控系统，其特征是：所述无线智能传感器包括传感器壳体（1）、传感器主电路板、传感器外置天线（2）和传感器电源按钮，其中传感器壳体为长方体，分为前盖、中壳和后盖，前盖设计为百叶窗型式，前盖与中壳之间有自然流道待测区间设计并通过百叶窗快速换气，后盖设计有永久性强力磁石和螺母固定吊耳，后盖与中壳之间设计有硬密封开槽，中壳内固定主电路板，主电路板上设计有接口，接口上插接控制器、测量传感模块、无线收发模块、供电电源模块，测量传感模块插接在主电路板上方位置，供电电源模块插接在主电路板左侧中间位置，控制器插接在主电路板正中心位置，无线收发模块插接在主电路板下方靠近外置天线位置，无线收发模块通过专用电缆线与外置天线连接，供电电源模块通过电缆线与电源按钮连接，外置天线和电源按钮位于中壳外面下部。

4.根据权利要求3所述可燃、有毒气体无线智能监控系统，其特征是：所述系统子网网管包括网管壳体、通信电路板、外置天线和电源按钮，其中网管壳体为长方体，分为前壳体和后壳体，前壳体和后壳体连接处设计有硬密封开槽，后壳体设计有永久性强力磁石和螺母固定吊耳，壳体内固定通信电路板，通信电路板上设计有接口，接口处插接控制器、协议转换模块、无线收发模块和供电电源模块，控制器插接在通信电路板正中心位置，协议转换模块插接在通信电路板上部位置，供电电源模块插接在通信电路板左侧中间位置，无线收发模块插接在主电路板下方靠近外置天线位置，无线收发模块通过电缆线与外置天线连接，供电电源模块通过电缆线与电源按钮连接，外置天线和电源按钮位于前壳体外面下部。

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