CN106092842A - 基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统 - Google Patents
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Abstract
基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统，本发明克服了现有的气体浓度和颗粒物浓度监测系统的高功耗，且不能满足户外情况下的监测的精度，不能保证空气质量信息的时效性和有效性的缺陷，本发明能够最大限度的实现远通信距离。该系统功耗较低，安装有SO2、NO2、O3、CO气体传感器、PM1、PM2.5、PM10颗粒传感器。此系统可以感应自然情况下户外空气中SO2、NO2、O3、CO气体的浓度，PM1、PM2.5、PM10浓度。通过LoRa的无线技术将数据传给中央主机，电脑即可查看实时的气体数据。本发明区别于传统的气体浓度以及颗粒物浓度监测系统的基于WIFI、ZIGBEE、3G、2G等无线通信方式，本发明通过LoRa技术进行数据传输。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度监测领域，特别是高精度户外多种气体以及颗粒物浓度监测的领域下的基于无线LoRa技术的高精度多种气体和颗粒物的监测。
背景技术
空气质量日益恶劣，污染空气对人们的健康形成威胁。尤其是大气颗粒物相比对人体健康和大气环境质量的影响更大。大气中的颗粒物粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。对于复杂的空气成分，可以针对多种气体浓度和颗粒物浓度的测量也变得尤为重要。目前，常用的空气监测系统多数安装在固定位置有效监测空气中主要污染物气体的浓度通过WIFI、ZIGBEE、3G、2G等无线通信方式传送给中央处理器。此类空气监测系统的体积大、功耗大、重量大、无线通信距离近。目前市场上的空气质量监测系统，可测量的气体种类少、精度低、通讯距离近、功耗大、需要有线电源不便于安防。
LoRa技术是基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术(简称LoRa)的芯片。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术。新型的扩频技术，大大的改善了接收的灵敏度，其接收灵敏度达到了-148dbm。高达157db的链路预算使其通信距离可达15公里(与环境有关)。由于使用一种特殊的扩频技术，这使得不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰。在此基础上研发的集中器/网关(Concentrator/Gateway)能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解调一个信号，其信噪比为-20dB，GFSK方式与这一结果差距为28dB，这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下，6dB的差距就可以实现两倍于原来的传输距离。密集的城市环境可以覆盖2公里左右，而在密度较低的郊区，覆盖范围可达10公里。
LoRa技术是一种有低功耗、远距离、高灵敏度、高抗干扰能力的无线通信技术。适用于远距离通信控制系统，可嵌入任何系统中。由于其可以为用户提供无线远距离数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。在空气监测系统中可以很好的发挥远距离低功耗的优势。
为此，本发明完成了一种基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测终端系统。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统，区别于传统的气体浓度以及颗粒物浓度监测系统的基于WIFI、ZIGBEE、3G、2G等无线通信方式。本发明通过LoRa技术进行数据传输。
本发明克服了现有的气体浓度和颗粒物浓度监测系统的高功耗，且不能满足户外情况下的监测的精度，不能保证空气质量信息的时效性和有效性的缺陷，本发明能够最大限度的实现远通信距离。该终端功耗较低，安装有SO2、NO2、O3、CO气体传感器、PM1、PM2.5、PM10颗粒传感器。此系统可以感应自然情况下户外空气中SO2、NO2、O3、CO气体的浓度，PM1、PM2.5、PM10浓度。通过LoRa的无线技术将数据传给中央主机，电脑即可查看实时的气体数据。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
为实现上述目的本发明的设计方案为物联网应用下基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统，该系统设备终端包括外壳体和系统电路板；系统电路板上设有电源开关、系统复位按键、UART接口、USB充电接口、聚合物锂电池、聚合物锂电池过充过放保护模块、太阳能电池板、LoRa模块、AD模块、SO2气体传感器模块、NO2气体传感器模块、O3气体传感器模块、CO气体传感器模块、PM1颗粒物传感器模块、PM2.5颗粒物传感器模块、PM10颗粒物传感器模块；系统电路板固定在外壳体内，外壳体为一规则长方体。
基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统分为设备终端和用户数据显示界面。设备终端分为四大部分：电源供电部分、MCU系统控制部分、数据采集部分、数据传送部分，MCU系统控制部分分别与电源供电部分、数据采集部分、数据传送部分相连；电源管理部分由充放电管理电路、太阳能电池板和电池电压监测电路组成；MCU系统控制部分由MCU、电源开关、复位电路、JLINK调试接口、AD芯片组成；数据采集部分由SO2、NO2、O3、CO气体传感器、PM1、PM2.5、PM10颗粒传感器、UART接口、AD接口组成；数据传送部分由LoRa模块组成。
MCU系统控制部分为本系统设备终端的控制核心部分，太阳能电池板和聚合物锂电池组合为系统的电源存储和供给单元；太阳能电池板采集光能，经过光电转换，转换成电能存放在聚合物锂电池中。存储有电能的聚合物锂电池经过降压稳压电路通过USB接口和MCU连接，完成给MCU系统控制部分供电，通过电源开关控制开启MCU系统控制部分的供电功能和关闭MCU系统控制部分的供电功能；本系统设备终端将聚合物锂电池输出与电源管理部分相连，目的是同时对锂电池进行过充和过放保护，稳定输出3.3V电压同时监测剩余电量；保障聚合物锂电给MCU系统和所有传感器器模块以及其他各个电路部分的高品质供电，同时有效地保护聚合物锂电池寿命；在满足系统供电要求及MCU系统控制部分的调控下，使得SO2、NO2、O3、CO传感器感应所在空间范围内的待测气体的浓度，并将浓度信息采集、读取、传输到MCU的AD接口；MCU控制AD模块完成模拟信号数据转换为数字信号数据，数据通过DMA存储到存储单元；PM1、PM2.5、PM10颗粒浓度采集模块感应所在空间范围内的待测气体中颗粒物的浓度通过UART的读写模式将数据传输给MCU；MCU将所有的气体浓度和颗粒物浓度数据写给LoRa模块，通过LoRa的通信形式将数据传送给其他终端。
用户数据显示界面包括数据显示界面和数据存储。方便用户查看数据，储存数据和进行部分数据的提取和处理。
本发明可作为在户外自然情况下实时监测系统、基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测终端系统，具有高精度，体积小，重量轻，超低功耗，自供电，可更换传感器，传输距离长，无线传输控制等特点。
附图说明
图1为本发明的电路的结构连接图；
图中：1、系统复位电路，2、电池电量采集电路，3、太阳能采集控制电路，4、锂电池，5、MCU，6、SO2浓度采集模块电路，7、NO2浓度采集模块电路，8、O3浓度采集模块电路，9、CO浓度采集模块电路，10、PM1、PM2.5、PM10颗粒浓度采集模块，11、LoRa模块控制电路，12、AD接口，13、UART接口。
图2为本发明的用户终端显示界面图；
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明包括两个部分：用户终端显示界面和高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测终端。用户终端显示界面将LoRa传送来的数据在界面上直观显示。并有回放和存储功能。方便用户随时调取之前的数据和直观分析现有数据。用户界面是有LabVIEW软件使用框图程序语言编写而成。分为前面板和程序框图。所有数据的读取、处理、显示在程序框图部分进行处理得到。所有使用功能在前面板用简单的图形进行提示和表示，用户点击即可实现相应功能。处理所得到的数据在前面板的数据显示区显示，供用户查看。
图1为本发明的电路的结构连接图。系统电路板上设有系统复位电路1、电池电量采集电路2、太阳能采集控制电路3、锂电池4、3.3v降压稳压电路5、SO2浓度采集模块电路6、NO2浓度采集模块电路7、O3浓度采集模块电路8、CO浓度采集模块电路9、PM1、PM2.5、PM10颗粒浓度采集模块10、LoRa模块控制电路11、AD接口12、UART接口13。
系统复位电路1与MCU相连，使整个电路系统复位。
电池电量采集电路2与MCU和锂电池正极和负极相连。电池电量采集电路2由MCU控制，当MCU的控制端为高电平时采集锂电池的电压，通过电阻分压后，输入到MCU的端口。MCU内置有AD转换器，通过读取电压的数值和算法转换后，得到锂电池的当前电量。
锂电池4连接太阳能采集控制电路3和电池电量采集电路2用于储存由太阳能转化的电能。
3.3V降压稳压电路5和锂电池4连接以及MCU相连，通过开关控制着电池和稳压电路的连接。当开关打开时，稳压电路开始工作。将锂电池输出的电压从12V降至3.3V，持续稳定的输出3.3V电压，为MCU、SO2浓度采集模块电路6、NO2浓度采集模块电路7、O3浓度采集模块电路8、CO浓度采集模块电路9、PM1、PM2.5、PM10颗粒浓度采集模块10，LoRa模块控制电路11供电。
SO2浓度采集模块电路6连接MCU。SO2传感器检测SO2气体时，进行化学反应，其输出端产生电流输出。随着检测气体的浓度变化输出电流也随之正比变化。输出的电流信号经过一系列处理之后，信号传送给A/D模块将模拟信号转换成数字信号。所选传感器为四电极传感器，传感器增加了另一个工作电极，称之为辅助电极。辅助电极的讯号可以用来抵消温度变化的影响或者用来提高传感器的选择性。用了第四电极可以使传感器的讯号更稳定，对被测量气体有着特性的响应，所以可以得到较为精准的SO2浓度。SO2传感器的量程为0-10ppm，分辨率0.01ppm，相应时间小于60s。
NO2浓度采集模块电路7连接MCU的AD部分。NO2传感器检测到NO2气体时，进行化学反应，其输出端以电流输出。随着检测气体的浓度变化输出电流也随之正比变化。输出的电流信号经过一系列处理之后，信号传送给A/D模块将模拟信号转换成数字信号。所选传感器为四电极传感器，传感器增加了另一个工作电极，称之为辅助电极。辅助电极的讯号可以用来抵消温度变化的影响或者用来提高传感器的选择性。用了第四电极可以使传感器的讯号更稳定，对被测量气体有着特性的响应，所以可以得到较为精准的NO2浓度。NO2传感器的量程为0-20ppm，分辨率0.02ppm，相应时间小于20s。
O3浓度采集模块电路8连接MCU的AD部分。O3传感器检测到O3气体时，进行化学反应，其输出端以电流输出。随着检测气体的浓度变化输出电流也随之正比变化。输出的电流信号经过一系列处理之后，信号传送给A/D模块将模拟信号转换成数字信号。所选传感器为四电极传感器，传感器增加了另一个工作电极，称之为辅助电极。辅助电极的讯号可以用来抵消温度变化的影响或者用来提高传感器的选择性。用了第四电极可以使传感器的讯号更稳定，对被测量气体有着特性的响应，所以可以得到较为精准的O3浓度。O3传感器的量程为0-2ppm，分辨率0.001ppm，相应时间小于100s。
CO浓度采集模块电路9感应到CO气体时，产生化学反应其输出端产生电流输出，起着将化学能转化为电能的作用。当气体浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比变化。输出的电流信号经过一系列处理之后，信号传送给A/D模块将模拟信号转换成数字信号。在经过A/D模块将模拟信号转换成待处理的数字信号等待处理。所选传感器为四电极传感器，传感器增加了另一个工作电极，称之为辅助电极。辅助电极的讯号可以用来抵消温度变化的影响或者用来提高传感器的选择性。用了第四电极可以使传感器的讯号更稳定，对被测量气体有着特性的响应，所以可以得到较为精准的CO浓度。CO传感器的量程为0-2ppm，分辨率0.01ppm，相应时间小于25s。
PM1、PM2.5、PM10颗粒浓度采集模块10以UART的方式连接MCU。颗粒物传感器采用激光散射原理。即令激光照射在空气中的悬浮物颗粒上产生散射。同时在某一特定角度收集散射光，得到散射光强随时间变化的曲线。进而进行微处理器进行基于米氏(MIE)理论的算法，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量。MCU以UART的方式控制PM1、PM2.5、PM10颗粒浓度采集模块工作和接收数据，数据分辨率达到1ug/m3。
LoRa控制电路11与MCU相连。MCU通过UART的方式控制LoRa模块。的功能是将MCU通过UART传送来的数据遵守控制命令将PM1、PM2.5、PM10颗粒浓度的信息、气体浓度信息(SO2、NO2、O3、CO)和电源的信息数据传送给其他控制器。
LoRa通信方式有四种工作方式：1)一般模式；2)唤醒模式；3)休眠模式；4)省电模式。空气监测系统中主要运用到了唤醒模式和省电模式。主机工作在唤醒模式，当需要分散在各地方的子机的空气质量监测数据的时候，主机发送唤醒码。当信道相同的子机接收到所对应的唤醒码变开始开始发送数据。
将LoRa通信方式和空气质量监测系统相结合能够增大固有空气质量监测的通信距离同时保证最低功耗。3000米的发射电流仅106mA，休眠电流仅716.757nA，接受电流仅14.5mA。相比于用zigbee方式进行通信的空气质量监测系统来说，使用LoRa方式进行通信的空气质量监测通信距离更长。更长的通信距离可以让系统的分布更加自由，按照需求进行不同距离的安放子机，不在因为通信距离而不得不密集型安放。这样大大节省子机的数量和提高子机安放的自由度。进行相比于使用WIFI和3G方式进行通信的空气质量监测系统，使用LoRa方式进行通信的空气质量监测通信功耗更低。更低的功耗可以保证整体系统供电的负担减小，适用于自供电方式，大功耗的系统只能采用有源供电。同时功耗的降低大大提高了系统电池的工作时间。
基于物联网的背景下，LoRa技术逐渐发展和成熟。将LoRa通信和空气质量监测相融合将大大推动空气质量监测的发展。
Claims (9)
1.基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统，其特征在于：
该系统设备终端包括外壳体和系统电路板；系统电路板上设有电源开关、系统复位按键、UART接口、USB充电接口、聚合物锂电池、聚合物锂电池过充过放保护模块、太阳能电池板、LoRa模块、AD模块、SO2气体传感器模块、NO2气体传感器模块、O3气体传感器模块、CO气体传感器模块、PM1颗粒物传感器模块、PM2.5颗粒物传感器模块、PM10颗粒物传感器模块；系统电路板固定在外壳体内，外壳体为一规则长方体；
基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统分为设备终端和用户数据显示界面；设备终端分为四大部分：电源供电部分、MCU系统控制部分、数据采集部分、数据传送部分，MCU系统控制部分分别与电源供电部分、数据采集部分、数据传送部分相连；电源管理部分由充放电管理电路、太阳能电池板和电池电压监测电路组成；MCU系统控制部分由MCU、电源开关、复位电路、JLINK调试接口、AD芯片组成；数据采集部分由SO2、NO2、O3、CO气体传感器、PM1、PM2.5、PM10颗粒传感器、UART接口、AD接口组成；数据传送部分由LoRa模块组成；
MCU系统控制部分为本系统设备终端的控制核心部分，太阳能电池板和聚合物锂电池组合为系统的电源存储和供给单元；太阳能电池板采集光能，经过光电转换，转换成电能存放在聚合物锂电池中；存储有电能的聚合物锂电池经过降压稳压电路通过USB接口和MCU连接，完成给MCU系统控制部分供电，通过电源开关控制开启MCU系统控制部分的供电功能和关闭MCU系统控制部分的供电功能；本系统设备终端将聚合物锂电池输出与电源管理部分相连，目的是同时对锂电池进行过充和过放保护，稳定输出3.3V电压同时监测剩余电量；保障聚合物锂电给MCU系统和所有传感器器模块以及其他各个电路部分的高品质供电，同时有效地保护聚合物锂电池寿命；在满足系统供电要求及MCU系统控制部分的调控下，使得SO2、NO2、O3、CO传感器感应所在空间范围内的待测气体的浓度，并将浓度信息采集、读取、传输到MCU的AD接口；MCU控制AD模块完成模拟信号数据转换为数字信号数据，数据通过DMA存储到存储单元；PM1、PM2.5、PM10颗粒浓度采集模块感应所在空间范围内的待测气体中颗粒物的浓度通过UART的读写模式将数据传输给MCU；MCU将所有的气体浓度和颗粒物浓度数据写给LoRa模块，通过LoRa的通信形式将数据传送给其他设备。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统，其特征在于：
该系统包括两个部分：用户终端显示界面和高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测终端；用户终端显示界面将LoRa传送来的数据在界面上直观显示；并有回放和存储功能；方便用户随时调取之前的数据和直观分析现有数据，用户界面是有LabVIEW软件使用框图程序语言编写而成，分为前面板和程序框图；所有数据的读取、处理、显示在程序框图部分进行处理得到；所有使用功能在前面板用简单的图形进行提示和表示，用户点击即可实现相应功能；处理所得到的数据在前面板的数据显示区显示，供用户查看；
系统电路板上设有系统复位电路(1)、电池电量采集电路(2)、太阳能采集控制电路(3)、锂电池(4)、3.3v降压稳压电路(5)、SO2浓度采集模块电路(6)、NO2浓度采集模块电路(7)、O3浓度采集模块电路(8)、CO浓度采集模块电路(9)、PM1、PM2.5、PM10颗粒浓度采集模块(10)、LoRa模块控制电路(11)、AD接口(12)、UART接口(13)。
3.根据权利要求2所述的基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统，其特征在于：系统复位电路(1)与MCU相连，使整个电路系统复位。
4.根据权利要求2所述的基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统，其特征在于：电池电量采集电路(2)与MCU和锂电池正极和负极相连；电池电量采集电路(2)由MCU控制，当MCU的控制端为高电平时采集锂电池的电压，通过电阻分压后，输入到MCU的端口；MCU内置有AD转换器，通过读取电压的数值和算法转换后，得到锂电池的当前电量。
5.根据权利要求2所述的基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统，其特征在于：锂电池(4)连接太阳能采集控制电路(3)和电池电量采集电路(2)用于储存由太阳能转化的电能。
6.根据权利要求2所述的基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统，其特征在于：3.3V降压稳压电路(5)和锂电池(4)连接以及MCU相连，通过开关控制着电池和稳压电路的连接；当开关打开时，稳压电路开始工作；将锂电池输出的电压从12V降至3.3V，持续稳定的输出3.3V电压，为MCU、SO2浓度采集模块电路(6)、NO2浓度采集模块电路(7)、O3浓度采集模块电路(8)、CO浓度采集模块电路(9)、PM1、PM2.5、PM10颗粒浓度采集模块(10)，LoRa模块控制电路(11)供电。
7.根据权利要求2所述的基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统，其特征在于：PM1、PM2.5、PM10颗粒浓度采集模块(10)以UART的方式连接MCU；颗粒物传感器采用激光散射原理；即令激光照射在空气中的悬浮物颗粒上产生散射；同时在某一特定角度收集散射光，得到散射光强随时间变化的曲线；进而进行微处理器进行基于米氏理论的算法，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量；MCU以UART的方式控制PM1、PM2.5、PM10颗粒浓度采集模块工作和接收数据。
8.根据权利要求2所述的基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统，其特征在于：LoRa控制电路(11)与MCU相连；MCU通过UART的方式控制LoRa模块；的功能是将MCU通过UART传送来的数据遵守控制命令将PM1、PM2.5、PM10颗粒浓度的信息、气体浓度信息和电源的信息数据传送给其他控制器。
9.根据权利要求2所述的基于LoRa的高精度气体浓度以及颗粒物浓度自供电监测系统，其特征在于：LoRa通信方式有四种工作方式：1)一般模式；2)唤醒模式；3)休眠模式；4)省电模式；空气监测系统中主要运用到了唤醒模式和省电模式；主机工作在唤醒模式，当需要分散在各地方的子机的空气质量监测数据的时候，主机发送唤醒码，当信道相同的子机接收到所对应的唤醒码变开始开始发送数据；
将LoRa通信方式和空气质量监测系统相结合能够增大固有空气质量监测的通信距离同时保证最低功耗；3000米的发射电流仅106mA，休眠电流仅716.757nA，接受电流仅14.5mA；相比于用zigbee方式进行通信的空气质量监测系统来说，使用LoRa方式进行通信的空气质量监测通信距离更长；更长的通信距离可以让系统的分布更加自由，按照需求进行不同距离的安放子机，不在因为通信距离而不得不密集型安放；这样大大节省子机的数量和提高子机安放的自由度；进行相比于使用WIFI和3G方式进行通信的空气质量监测系统，使用LoRa方式进行通信的空气质量监测通信功耗更低；更低的功耗可以保证整体系统供电的负担减小，适用于自供电方式，大功耗的系统只能采用有源供电；同时功耗的降低大大提高了系统电池的工作时间。
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