CN107085080A - 一种车载式非道路机械尾气排放无线传输测量系统及方法 - Google Patents

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张凯山
李臻
王帆
马帅
王婧婕
第宝锋
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Abstract

本发明公开了一种车载式非道路机械尾气排放无线传输测量系统及方法，方法包括以下步骤：上位机生成命令信号并通过串口将命令数据发送至主机，主机的处理器将命令数据发送至第一无线射频芯片，第一无线射频芯片接收到命令数据后传输至第一无线射频芯片内部的FIFO模块，通过天线形成环形信号波辐射周围空间；从机接收到主机发来的命令后，从机中第二无线射频芯片的管脚电位降低，之后读取第二无线射频芯片的状态寄存器，判断是否是接收中断，如果接收中断，则从第二无线射频芯片的FIFO模块里读取主机发来的数据，再把数据通过从机的串口发送给采集气体的气体分析仪，气体分析仪返回气体的数据。本发明测量系统，数据传输稳定，操作简便。

Description

一种车载式非道路机械尾气排放无线传输测量系统及方法
技术领域
本发明属于空气质量检测技术领域，具体涉及一种车载式非道路机械尾气排放无线传输测量系统及方法。
背景技术
由于区域性雾霾天气的不断加重，近年来，全国各大城市开始陆续建立空气质量监测站并发布每日空气质量预报。雾霾主要由地面污染源向大气环境排放过量污染物形成，地面污染源主要由点源、面源、移动源等类型。其中移动源包括道路移动源与非道路移动源，道路移动源主要指机动车，而非道路移动源为本发明所应用的主要对象。非道路移动源所排放的主要污染物为NOx与细颗粒物。这两种物质为形成雾霾天气的重要污染物质，而对其进行有效的管控的基础为对其排放量进行研究，即掌握在一定时间尺度内的排放量。本测量系统即针对测量现实工况下的非道路机械尾气排放而进行设计与搭建。
中国从2007年开始对非道路机械所用柴油发动机进行了排放限值及测量方法的规范，截至2014年，对非道路机械柴油机排放已经发展到第Ⅳ阶段。该标准中排放限值的部分主要针对非道路机械所使用的柴油机所排放的污染物，基于柴油机在标准测试工况下的台架测试而存在。而非道路机械于现实条件下使用时，其排放污染物会与台架测试不同，如在非道路机械用柴油机粒径分布中鲜有涉及PM2.5,标准中排放限值主要限制的对象是非道路机械所用柴油机在出厂前的颗粒物排放，所带来的结果是优化柴油机燃烧性能，后处理模式的改进，并在一定程度上减少非道路机械向大气排放的污染物浓度。但这些排放标准都是基于实验室条件下的排放测试，与非道路移动源排放物污染物进入大气的状况无法等同。且开发非道路机械尾气排放的技术研究成本高，限制了该类技术在非道路机械柴油机上的应用。所以控制非道路机械尾气排放需从研究非道路机械向大气环境排放污染物出发，掌握非道路机械向大气环境中排放污染物的排放规律并对其进行量化研究。而PEMS的出现为研究道路移动源向大气排放污染物的实时数据收集提供了良好的基础，使得现实工况下的道路移动源尾气排放研究成为了现实。与道路移动源相比，非道路移动源在实际测量系统方面表现出专用设备发展不够完善、针对性设备可选择空间小等特点，当前的仪器设备市场上没有专门针对非道路机械生产的PEMS。而介于非道路移动源在现实工况下测量的特殊性，如排放量大，测量环境恶劣等因素的条件。需要对非道路机械尾气排放系统进行科学、全面的设计，并构建适合于现实工况下的非道路机械尾气排放测量系统。因此，研究非道路机械尾气排放的特征与建立量化非道路机械尾气排放的方法对于处在强大的大气污染压力下的城市大气污染程度非常重要。
非道路机械与机动车同属于大气污染源中的移动源类别，非道路机械在现实工况下的尾气排放虽具有一定的特点，但在尾气排放组分的测量与测量方法上可以借鉴移动源的研究成果。一套完整的道路移动源测量系统包括8个部分：电源；尾气取样单元；尾气分析装置；校准单元；油耗仪；气流计；发动机参数获取设备；测速仪。以上8个部分构成了一套完整的机动车尾气排放测量系统，非道路移动源的测量系统可在此基础上通过改造进行构建，用于测量非道路机械尾气排放的污染物。非道路机械所用的柴油发动机排放的气体污染物在大气污染物中占有很大的比例，根据实际测量的需要，柴油机械排放的NOx、CO2、CO、HC、O2为必测对象。
现有的非道路机械尾气排放颗粒主要有两种测量方法，一种为激光散射法，一种为滤膜称重法。激光散射法的主流仪器为美国TSI公司生产的Dusttark，采用90°光散射原理进行颗粒物浓度测量。依据颗粒物垂直透过激光照射方向的强度损失计算出颗粒物的粒子数，通过系数转换成质量浓度。另一种方法为滤膜称重法，在泵形成的负压环境下，使尾气排放的颗粒物沉降在滤膜上，滤膜采样前后的质量差为所测机械尾气排放的颗粒物质量。前者对于颗粒物测量具有时间分辨率高、能获取特征排放数据的特点，后者测量时仪器容易维护，成本低，且运行稳定。
目前构建的非道路机械尾气排放系统可以满足非道路机械尾气排放测量的基本要求，但在实际运用过程中存在较大的缺陷。现实工况下非道路机械尾气排放测量具有一定的特殊性，主要体现在以下方面：一是所采集的数据需要进行实时观测，这是由于非道路机械在现实工况条件下作业时机械剧烈晃动，对仪器的正常运行带来一定的冲击，为保持现场采集数据的连续性，必须对数据进行实时的监测。二是非道路机械的施工场地环境条件一般较恶劣，人员基本不可能与机械同步进入测量场地进行数据观测。以上两点大大限制了常规的便携式系统在非道路机械尾气排放测量上的应用。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术中存在的问题，提供一种车载式非道路机械尾气排放无线传输测量系统及方法，将常规的非道路机械尾气排放测量系统改装成了基于无线传输方式的测量系统，扩大了测量系统的适应性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种车载式非道路机械尾气排放无线传输测量方法，包括以下步骤：
上位机生成命令信号并通过串口将命令数据发送至主机，主机的处理器将命令数据发送至第一无线射频芯片，第一无线射频芯片接收到命令数据后传输至第一无线射频芯片内部的FIFO模块，通过天线形成环形信号波辐射周围空间；
从机接收到主机发来的命令后，从机中第二无线射频芯片的管脚电位降低，之后读取第二无线射频芯片的状态寄存器，判断是否是接收中断，如果接收中断，则从第二无线射频芯片的FIFO模块里读取主机发来的数据，再把数据通过从机的串口发送给采集气体的气体分析仪，气体分析仪返回气体的数据，频率设置为1-5Hz；
引擎参数采集模块采集模拟传感器数据与GPS数据，最后将气体数据、三路模拟传感器数据与PS数据通过从机的第二无线射频芯片发送给主机，主机在把数据通过串口发送给上位机，上位机则处理数据并保存所有返回数据。
优选地技术方案，还包括颗粒物滤膜采样模块采集颗粒物滤膜样品数据，并与气体数据、三路模拟传感器数据、PS数据一并通过从机的第二无线射频芯片发送给主机。
优选地技术方案，所述的气体分析仪包括用于分别采集CO、CO2、HC、NO、O2浓度数据的五种气体分析仪；引擎参数采集模块采集模拟传感器数据包括三路模拟传感器数据。
本发明的一种车载式非道路机械尾气排放无线传输测量系统，包括上位机、主机和从机，上位机通过串口通信模块与主机连接，主机通过无线通信模块与从机连接，从机还分别连接有气体分析仪、引擎参数采集模块、颗粒物滤膜采样模块，气体分析仪、引擎参数采集模块、颗粒物滤膜采样模块分别连接有供电单元；所述的主机中设置有第一无线射频芯片，从机中设置有第二无线射频芯片。
优选地，所述的从机还包括STM32处理器、SI4463无线通信模块、GPS模块、气体分析仪串口接口、ADC采集电路和泵检测电路。
优选地，所述的上位机采用电脑。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明方便实时获取非道路机械尾气排放数据的测量系统，不仅解决非道路机械测量系统的市场空白，并使非道路机械测量系统从传统的有线测量中解放出来，达到方便实时监测测量数据质量，为研究人员提供更好测量测试操作平台，达到安装携带方便，体积小，数据传输稳定，操作简便，达到能够实时监测非道路机械的尾气排放数据，减少非道路机械测量成本的效果。
附图说明
图1是本发明的车载式非道路机械尾气排放无线传输测量系统图。
图2是本发明的系统结构简图。
图3是本发明的从机模块图。
附图标记：100-上位机，200-主机，300-从机。
具体实施方式
参照图1-3，本发明的一种车载式非道路机械尾气排放无线传输测量方法，包括以下步骤：
上位机100生成命令信号并通过串口将命令数据发送至主机200，主机200的处理器将命令数据发送至第一无线射频芯片，第一无线射频芯片接收到命令数据后传输至第一无线射频芯片内部的FIFO模块，通过天线形成环形信号波辐射周围空间。
从机300接收到主机200发来的命令后，从机300中第二无线射频芯片的管脚电位降低，之后读取第二无线射频芯片的状态寄存器，判断是否是接收中断，如果接收中断，则从第二无线射频芯片的FIFO模块里读取主机200发来的数据，再把数据通过从机300的串口发送给采集气体的气体分析仪，气体分析仪返回气体的数据，频率设置为1-5Hz。
引擎参数采集模块采集模拟传感器数据与GPS数据，最后将气体数据、三路模拟传感器数据与PS数据通过从机300的第二无线射频芯片发送给主机200，主机200在把数据通过串口发送给上位机100，上位机100则处理数据并保存所有返回数据。
还包括颗粒物滤膜采样模块采集颗粒物滤膜样品数据，并与气体数据、三路模拟传感器数据、PS数据一并通过从机300的第二无线射频芯片发送给主机200。
优选地技术方案，所述的气体分析仪包括用于分别采集CO、CO2、HC、NO、O2浓度数据的五种气体分析仪；引擎参数采集模块采集模拟传感器数据包括三路模拟传感器数据。
从机300的STM32处理器通过串口通信，负责采集5种气体的传感器数据；同时通过串口通信采集GPS模块的经纬度和海拔数据，经过模拟和数字转换电路把温度，压力和转速的模拟传感器数据转为数字传感器数据，然后再随时检测与控制颗粒物采样系统泵的开启和关闭，这项功能主要通过检测STM32的IO管脚是高电频还是低电频来实现。
本发明的一种车载式非道路机械尾气排放无线传输测量系统，包括上位机100、主机200和从机300，上位机100通过串口通信模块与主机200连接，主机200通过无线通信模块与从机300连接，从机300还分别连接有气体分析仪、引擎参数采集模块、颗粒物滤膜采样模块，气体分析仪、引擎参数采集模块、颗粒物滤膜采样模块分别连接有供电单元；所述的主机200中设置有第一无线射频芯片，从机300中设置有第二无线射频芯片。从机300还包括STM32处理器、SI4463无线通信模块、GPS模块、气体分析仪串口接口、ADC采集电路和泵检测电路。
主机200电路主要是有STM32控制器，SI4463无线通信模块，RS232串口通信电路组成，主要是负责通信即发送命令，不负责数据处理。
上位机100主要是通过RS232串口通信接收主机200发来的传感器数据，然后显示在PC上，同时也自动保存至PC中。上位机100采用电脑，具有数据显示及存储功能，由电脑的软件插件可直接生产命令数据。

Claims (6)

1.一种车载式非道路机械尾气排放无线传输测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
上位机(100)生成命令信号并通过串口将命令数据发送至主机(200)，主机(200)的处理器将命令数据发送至第一无线射频芯片，第一无线射频芯片接收到命令数据后传输至第一无线射频芯片内部的FIFO模块，通过天线形成环形信号波辐射周围空间；
从机(300)接收到主机(200)发来的命令后，从机(300)中第二无线射频芯片的管脚电位降低，之后读取第二无线射频芯片的状态寄存器，判断是否是接收中断，如果接收中断，则从第二无线射频芯片的FIFO模块里读取主机(200)发来的数据，再把数据通过从机(300)的串口发送给采集气体的气体分析仪，气体分析仪返回气体的数据，频率设置为1-5Hz；
引擎参数采集模块采集模拟传感器数据与GPS数据，最后将气体数据、三路模拟传感器数据与PS数据通过从机(300)的第二无线射频芯片发送给主机(200)，主机(200)在把数据通过串口发送给上位机(100)，上位机(100)则处理数据并保存所有返回数据。
2.根据权利要求1所述的车载式非道路机械尾气排放无线传输测量方法，其特征在于，还包括颗粒物滤膜采样模块采集颗粒物滤膜样品数据，并与气体数据、三路模拟传感器数据、PS数据一并通过从机(300)的第二无线射频芯片发送给主机(200)。
3.根据权利要求1所述的车载式非道路机械尾气排放无线传输测量方法，其特征在于，所述的气体分析仪包括用于分别采集CO、CO2、HC、NO、O2浓度数据的五种气体分析仪；引擎参数采集模块采集模拟传感器数据包括三路模拟传感器数据。
4.如权利要求1-3任意一项所述的车载式非道路机械尾气排放无线传输测量方法的系统，其特征在于，包括上位机(100)、主机(200)和从机(300)，上位机(100)通过串口通信模块与主机(200)连接，主机(200)通过无线通信模块与从机(300)连接，从机(300)还分别连接有气体分析仪、引擎参数采集模块、颗粒物滤膜采样模块，气体分析仪、引擎参数采集模块、颗粒物滤膜采样模块分别连接有供电单元；所述的主机(200)中设置有第一无线射频芯片，从机(300)中设置有第二无线射频芯片。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的从机(300)还包括STM32处理器、SI4463无线通信模块、GPS模块、气体分析仪串口接口、ADC采集电路和泵检测电路。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的上位机(100)采用电脑。
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