CN107544362A - 一种嵌入二氧化硫监测与预警的运输机械 - Google Patents
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Abstract
一种嵌入二氧化硫监测与预警的运输机械，包括运输机械本体，嵌入运输机本体的外部环境信息感知与采集电路模块、排气管流量信息感知与采集电路模块通过无线通信技术和信息综合处理电路模块、预警电路模块连接，还包括嵌入信息综合处理电路模块的烟雾扩散算法程序；本发明的实施，可实时检测工程环境二氧化硫浓度，如果远超出根据烟雾扩散模型得出的周遭环境二氧化硫浓度时，及时向工程机械操作人员发出告警信息，对于协助操作人员及时应对突发状况有重大意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种嵌入二氧化硫监测与预警的运输机械，属汽车工程与智能电子技术领域。
背景技术
随着社会经济的发展，各个行业领域对于开采、运输等工程操作的需求越来越大，随之而来的是在工程机械操作发过程中尤其是对工矿生产的排泄废物、废弃材料等的运输过程中的意外事故发生概率越来越大，施救难度也越来越大。对于工程机械的操作者来说，工程机械操作现场的突发情况如二氧化硫的突然泄漏等，随时都有可能妨害人身安全，因此加强工程机械操作者的个人防护显得特别重要。传统的工程机械，如运输机，只能实现运输功能，搬运功能等基本功能，而工程机械使用环境中所产生的二氧化硫等气体含量相关环境参数无法被工程机械操作者和控制中心指挥员及时获知。因此加强工程机械操作者的个人防护，对保障工程机械操作者的生命安全，和工程现场的应急指挥非常重要。
而大型工程机械，如运输机，常使用柴油燃烧作为动力，本身会产生相当量的二氧化硫气体，而其工作环境，如地形、气象等条件往往相较实验室环境更加恶劣复杂。因此如何在适应环境条件同时，又能避免工程机械自身的排放干扰的条件下，监测出因突发状况产生的二氧化硫气体，成为了摆在工程和科研人员面前的一道难题。
而随着电子技术，特别是微电子技术的不断发展，各类电子传感器技术、可编程芯片技术、微处理器技术以及低功耗无线通信技术得到了极大的发展，为解决上述问题，提供了可能。
发明内容
基于以上实际问题，本发明提出一种嵌入二氧化硫监测与预警的运输机械，包括运输机械本体，外部环境信息感知与采集电路模块，排气管流量信息感知与采集电路模块，信息综合处理电路模块，预警电路模块以及嵌入信息综合处理电路模块的烟雾扩散算法程序。
所述的外部环境信息感知与采集电路模块，包括四组相同的电路模块，分别位于所述的运输机械的车厢左前角、左后角、右前角和右后角内侧；所述的四组相同的电路模块，每一组包括一颗二氧化硫传感器，通过有线方式连接至现场可编程模拟阵列内部的偏置电路和双级运放电路，所述的双级运放电路的输出连接可编程模数混合芯片内部的片上模拟-数字转换器，所述的片上模拟-数字转换器在所述的可编程模数混合芯片内部连接BLE模块，所述的BLE模块通过有线方式连接天线；所述的述的四组相同的电路模块，每一组还包括3.3V锂电池，所述的3.3V锂电池输出端同时连接所述的现场可编程模拟阵列和所述的可编程模数混合芯片。
所述的排气管流量信息感知与采集电路模块，位于所述的运输机械的排气管内壁；所述的排气管流量信息感知与采集电路模块，包括一颗尾气流速传感器，通过有线方式连接至片上可编程系统芯片内部的片上模拟前端输入端接口，所述的片上模拟前端的输出在所述的片上可编程系统芯片内部通过多选一模拟选通电路的一路输入端连接芯片内部的片上模拟-数字转换器的输入端，所述的片上模拟-数字转换使用I2C总线，通过有线方式连接可编程模数混合芯片内部的可编程I2C硬件驱动，所述的可编程I2C硬件驱动连接所述的可编程模数混合芯片的BLE电路模块，所述的BLE电路模块连接天线；所述的排气管流量信息感知与采集电路模块，还包括3.3伏特锂电池，通过有线方式同时连接所述的片上可编程系统芯片和所述的可编程模数混合芯片。
所述的信息综合处理电路模块，位于所述的运输机驾驶室外侧；所述的信息综合处理电路模块，包括一颗混合信号处理器，所述的混合信号处理器内部包括BLE电路模块和双ARM核，所述的双ARM核使用Q_SPI总线，通过有线方式连接一组Q_SPI转多路I2C电路，所述的混合信号处理器，还使用Q_SPI总线，通过有线方式连接一片Nor型闪存和一颗温度传感器，所述的Q_SPI转多路I2C电路通过有线方式连接一组信号隔离器的A侧，所述的信号隔离器的B侧，使用多路I2C总线，通过有线方式连接所述的预警电路；所述的信息综合处理电路模块，还包括一颗时钟发生器，使用有线方式，连接所述的混合信号处理器和所述的Q_SPI转多路I2C电路；所述的信息综合处理电路模块，还包括两组可编程电压转换与滤波电路，所述的两组可编程电压转换与滤波电路输入端连接所述的运输机械内部的车载12伏特电池，其中一路的输出端连接所述的混合信号处理器、Q_SPI转多路I2C电路和所述的信号隔离器的A侧，其中另一路的输出端连接所述的信号隔离器的B侧。
所述的预警电路模块，位于所述的运输机驾驶室外侧；所述的预警电路模块，包括一组音频驱动电路，通过线方式连接一组音频终端设备，使用SPI总线，通过有线方式连接一颗音频信息铁电随机存储器(FRAM)；所述的预警电路模块，还包括一组LED灯驱动电路，通过线方式连接一组LED灯终端，使用SPI总线，通过有线方式连接一颗LED灯动作信息模式FRAM；所述的预警电路模块，还包括一路GPRS电路，所述的GPRS电路连接天线，并使用SPI总线，通过有线方式连接一颗预警文字信息FRAM；所述的预警电路模块还包括一组可编程电压转换器与滤波电路，所述的可编程电压转换器与滤波电路的输入端连接所述的运输机械车载12伏特电池，输出端通过有线方式同时连接所述的音频信息FRAM、所述的音频驱动电路、所述的音频终端、所述的GPRS电路、所述的预警文字信息FRAM、LED灯动作信息模式FRAM、LED灯驱动电路和LED灯终端。
所述的烟雾扩散算法程序，其代码存储于所述的Nor型闪存内部；考虑环境温度对扩散模型的影响，所述的烟雾扩散算法程序，算法公式为：
其中，，
为海拔高度，为实时环境温度，D为排气出口处的有效直径；为出口处污染物的扩散速度；为排气出口处的温度（K）；为环境温度（K），，P为标准大气压； 、为气体在下风向为x轴正方向坐标系下， y、z方向分布的标准差，单位为 m；为任一点处泄漏气体的浓度，单位为 kg/m；为平均风速，单位为 m/s；Q为源强（即排气速度），单位为 kg/s。
附图说明
图1 本发明的外形结构示意图（俯视图）。
图2 本发明的结构拓扑图。
图3 外部环境信息感知与采集电路模块结构示意图。
图4 排气管流量信息感知与采集电路模块结构示意图。
图5 信息综合处理电路模块结构示意图。
图6 预警电路模块结构示意图。
具体实施方式
相较于传统工程机械，本发明所提出的技术，考虑实际地形地貌和外界实时温度条件的因素，有利于排除工程机械自身产生废气的干扰，有效检测出工程现场因突发状况或其他未知情况突然产生的大量二氧化硫，以及时提醒工程机械操作人员包括现场其他施工人员，及时采取正确措施，避免因延误导致的人身和财产损失。
下面结合实施例与附图来具体说明本发明。
一种嵌入二氧化硫监测与预警的运输机械，包括运输机械本体如图一所示(000)，外部环境信息感知与采集电路模块如图一所示(100)(200)(300)(400)，排气管流量信息感知与采集电路模块如图一所示(500)，信息综合处理电路模块如图一所示(600)，预警电路模块如图一所示(700)以及嵌入信息综合处理电路模块的烟雾扩散算法程序如图二所示(2000)。
所述的外部环境信息感知与采集电路模块，包括四组相同的电路模块，分别位于所述的运输机械的车厢左前角、左后角、右前角和右后角内侧如图一所示(100)(200)(300)(400)；所述的四组相同的电路模块，每一组包括一颗二氧化硫传感器如图三所示(101)(201)(301)(401)，通过有线方式连接至现场可编程模拟阵列如图三所示(102)(202)(302)(402)内部的偏置电路如图三所示(103)(203)(303)(403)和双级运放电路如图三所示(104)(204)(304)(404)，所述的双级运放电路的输出连接可编程模数混合芯片如图三所示(105)(205)(305)(405)内部的片上模拟-数字转换器，所述的片上模拟-数字转换器如图三所示(106)(206)(306)(406)在所述的可编程模数混合芯片内部连接BLE模块如图三所示(107)(207)(307)(407)，所述的BLE模块通过有线方式连接天线；所述的述的四组相同的电路模块，每一组还包括3.3V锂电池如图三所示(108)(208)(308)(408)，所述的3.3V锂电池输出端同时连接所述的现场可编程模拟阵列和所述的可编程模数混合芯片。所述的二氧化硫传感器可采用英国Alphasense公司的三脚电化学传感器，外围电路仅需要简单的偏置电路和调制输出的运放电路，因此可采用现场可编程模拟阵列 (Field ProgrammableAnalog Array) 芯片，内部编程形成偏置电路和双级运放电路，所述的FPAA可采用Anadigm公司生产的AN131E04芯片，内部含有四组可配置模拟模块，用以实现偏置电路和双级运放电路；所述的可编程模数混合芯片既需要包含短距离无线通信功能模块，还需要包含模拟-数字转换器模块，本方案可选用Cypress公司设计生产的PSoC4 BLE芯片，既包含可编程的模拟-数字转换器供使用，还包含基于BLE4.1协议的低功耗蓝牙模块，外接天线即可实现模数转换数据通过BLE和外部通信的功能。
所述的排气管流量信息感知与采集电路模块，位于所述的运输机械的排气管内壁；所述的排气管流量信息感知与采集电路模块，包括一颗尾气流速传感器如图四所示(501)，通过有线方式连接至片上可编程系统芯片如图四所示(502)内部的片上模拟前端如图四所示(503)输入端接口，所述的片上模拟前端的输出在所述的片上可编程系统芯片内部通过多选一模拟选通电路的一路输入端连接芯片内部的片上模拟-数字转换器如图四所示(504)的输入端，所述的片上模拟-数字转换使用I2C总线，通过有线方式连接可编程模数混合芯片如图四所示(508)内部的可编程I2C硬件驱动如图四所示(506)，所述的可编程I2C硬件驱动连接所述的可编程模数混合芯片的BLE电路模块如图四所示(507)，所述的BLE电路模块连接天线；所述的排气管流量信息感知与采集电路模块，还包括3.3伏特锂电池如图四所示(510)，通过有线方式同时连接所述的片上可编程系统芯片和所述的可编程模数混合芯片。所述的片上可编程系统芯片可采用Cypress公司的PSoC Analog芯片，该芯片基于Cortex-M0内核，内嵌有可配置的运算放大器和模拟-数字转换器。所述的可编程模数混合芯片，如前所述，方案可选用Cypress公司设计生产的PSoC4 BLE芯片，既包含可编程的模拟-数字转换器供使用，还包含基于BLE4.1协议的低功耗蓝牙模块，外接天线即可实现模数转换数据通过BLE和外部通信的功能。所述的PSoC4 BLE芯片内部的可编程I2C硬件驱动在系统处于运行状态时刻配置为上拉模式，用于兼容并驱动I2C的硬件电路，在系统处于低功耗模式时，可以配置为高阻态模式，降低上拉电流，提高电池寿命。
所述的信息综合处理电路模块，位于所述的运输机驾驶室外侧；所述的信息综合处理电路模块，包括一颗混合信号处理器如图五所示(603)，所述的混合信号处理器内部包括BLE电路模块如图五所示(601)和双ARM核如图五所示(602)，所述的双ARM核使用Q_SPI总线，通过有线方式连接一组Q_SPI转多路I2C电路如图五所示(604)，所述的混合信号处理器，还使用Q_SPI总线，通过有线方式连接一片Nor型闪存如图五所示(609)和一颗温度传感器如图五所示(610)，所述的Q_SPI转多路I2C电路通过有线方式连接一组信号隔离器如图五所示(605)的A侧，所述的信号隔离器的B侧，使用多路I2C总线，通过有线方式连接所述的预警电路；所述的信息综合处理电路模块，还包括一颗时钟发生器如图五所示(606)；所述的信息综合处理电路模块，还包括两组可编程电压转换与滤波电路如图五所示(607)(608)，所述的两组可编程电压转换与滤波电路输入端连接所述的运输机械内部的车载12伏特电池，其中一路的输出端连接所述的混合信号处理器、Q_SPI转多路I2C电路和所述的信号隔离器的A侧，其中另一路的输出端连接所述的信号隔离器的B侧。所述的混合信号处理器，可采用Cypress的PSoC6 BLE芯片，该芯片可提供Cortex-M0+核和Cortex-M4核双核微处理器处理数据，提高处理速度，片上的BLE电路模块用以分时接收来自各个信息采集模块的数据；所述的Q_SPI转多路I2C电路可采用Si8400光耦隔离芯片，用于数据传输；由于Q_SPI和I2C的通讯模式均是同步传输，因此为了传输的数据的稳定性，使用所述的时钟发生器为所述的混合信号处理器和所述的Q_SPI转多路I2C电路提供时钟信号，所述的时钟发生器可采用MicroSemi公司的ZL30253，该芯片具有超低的运行功耗，可极大地提高电池使用效率；所述的Nor型闪存可采用Micron公司的N25Q系列Nor型闪存芯片，读取速率可以达到54MB/s。
所述的预警电路模块，位于所述的运输机驾驶室外侧；所述的预警电路模块，包括一组音频驱动电路如图六所示(701)，通过线方式连接一组音频终端设备如图六所示(703)，使用SPI总线，通过有线方式连接一颗音频信息铁电随机存储器(FRAM) 如图六所示(702)；所述的预警电路模块，还包括一组LED灯驱动电路如图六所示(707)，通过线方式连接一组LED灯终端如图六所示(708)，使用SPI总线，通过有线方式连接一颗LED灯动作信息模式FRAM如图六所示(706)；所述的预警电路模块，还包括一路GPRS电路如图六所示(705)，所述的GPRS电路连接天线，并使用SPI总线，通过有线方式连接一颗预警文字信息FRAM如图六所示(704)；所述的预警电路模块还包括一组可编程电压转换器与滤波电路如图六所示(709)，所述的可编程电压转换器与滤波电路的输入端连接所述的运输机械车载12伏特电池，输出端通过有线方式同时连接所述的音频信息FRAM、所述的音频驱动电路、所述的音频终端、所述的GPRS电路、所述的预警文字信息FRAM、LED灯动作信息模式FRAM、LED灯驱动电路和LED灯终端；所述的预警文字信息FRAM、LED灯动作信息模式FRAM和音频信息FRAM，采用但不限于Cypress公司的CY15B064Q系列芯片，铁电随机存储器可不受复杂的电磁干扰，稳定地存储数据，十分适合应用于较为复杂的工业运输环境。
所述的烟雾扩散算法程序，其代码存储于所述的Nor型闪存内部；考虑环境温度对扩散模型的影响，所述的烟雾扩散算法程序，算法公式为：
其中，，
为海拔高度，为实时环境温度，D为排气出口处的有效直径；为出口处污染物的扩散速度；为排气出口处的温度（K）；为环境温度（K），，P为标准大气压；、为气体在下风向为x轴正方向坐标系下， y、z方向分布的标准差，单位为 m；为任一点处泄漏气体的浓度，单位为 kg/m；为平均风速，单位为 m/s；Q为源强（即排气速度），单位为 kg/s。所述的烟雾扩散算法，在高斯烟雾扩散模型的基础上考虑了环境温度对扩散的影响，增加环境温度系数，对高温工业作业环境有很强的适应性。
Claims (6)
1.一种嵌入二氧化硫监测与预警的运输机械，包括运输机械本体，外部环境信息感知与采集电路模块，排气管流量信息感知与采集电路模块，信息综合处理电路模块，预警电路模块以及嵌入信息综合处理电路模块的烟雾扩散算法程序。
2.如权利要求1所述的外部环境信息感知与采集电路模块，包括四组相同的电路模块，分别位于所述的运输机械的车厢左前角、左后角、右前角和右后角内侧；所述的四组相同的电路模块，每一组包括一颗二氧化硫传感器，通过有线方式连接至现场可编程模拟阵列内部的偏置电路和双级运放电路，所述的双级运放电路的输出连接可编程模数混合芯片内部的片上模拟-数字转换器，所述的片上模拟-数字转换器在所述的可编程模数混合芯片内部连接BLE模块，所述的BLE模块通过有线方式连接天线；所述的述的四组相同的电路模块，每一组还包括3.3V锂电池，所述的3.3V锂电池输出端同时连接所述的现场可编程模拟阵列和所述的可编程模数混合芯片。
3.如权利要求1所述的排气管流量信息感知与采集电路模块，位于所述的运输机械的排气管内壁；所述的排气管流量信息感知与采集电路模块，包括一颗尾气流速传感器，通过有线方式连接至片上可编程系统芯片内部的片上模拟前端输入端接口，所述的片上模拟前端的输出在所述的片上可编程系统芯片内部通过多选一模拟选通电路的一路输入端连接芯片内部的片上模拟-数字转换器的输入端，所述的片上模拟-数字转换使用I2C总线，通过有线方式连接可编程模数混合芯片内部的可编程I2C硬件驱动，所述的可编程I2C硬件驱动连接所述的可编程模数混合芯片的BLE电路模块，所述的BLE电路模块连接天线；所述的排气管流量信息感知与采集电路模块，还包括3.3伏特锂电池，通过有线方式同时连接所述的片上可编程系统芯片和所述的可编程模数混合芯片。
4.如权利要求1所述的信息综合处理电路模块，位于所述的运输机驾驶室外侧；所述的信息综合处理电路模块，包括一颗混合信号处理器，所述的混合信号处理器内部包括BLE电路模块和双ARM核，所述的双ARM核使用Q_SPI总线，通过有线方式连接一组Q_SPI转多路I2C电路，所述的混合信号处理器，还使用Q_SPI总线，通过有线方式连接一片Nor型闪存和一颗温度传感器，所述的Q_SPI转多路I2C电路通过有线方式连接一组信号隔离器的A侧，所述的信号隔离器的B侧，使用多路I2C总线，通过有线方式连接所述的预警电路；所述的信息综合处理电路模块，还包括一颗时钟发生器，使用有线方式，连接所述的混合信号处理器和所述的Q_SPI转多路I2C电路；所述的信息综合处理电路模块，还包括两组可编程电压转换与滤波电路，所述的两组可编程电压转换与滤波电路输入端连接所述的运输机械内部的车载12伏特电池，其中一路的输出端连接所述的混合信号处理器、所述的时钟发生器和所述的Q_SPI转多路I2C电路和所述的信号隔离器的A侧，其中另一路的输出端连接所述的信号隔离器的B侧。
5.如权利要求1所述的预警电路模块，位于所述的运输机驾驶室外侧；所述的预警电路模块，包括一组音频驱动电路，通过线方式连接一组音频终端设备，使用SPI总线，通过有线方式连接一颗音频信息铁电随机存储器(FRAM)；所述的预警电路模块，还包括一组LED灯驱动电路，通过线方式连接一组LED灯终端，使用SPI总线，通过有线方式连接一颗LED灯动作信息模式FRAM；所述的预警电路模块，还包括一路GPRS电路，所述的GPRS电路连接天线，并使用SPI总线，通过有线方式连接一颗预警文字信息FRAM；所述的预警电路模块还包括一组可编程电压转换器与滤波电路，所述的可编程电压转换器与滤波电路的输入端连接所述的运输机械车载12伏特电池，输出端通过有线方式同时连接所述的音频信息FRAM、所述的音频驱动电路、所述的音频终端、所述的GPRS电路、所述的预警文字信息FRAM、LED灯动作信息模式FRAM、LED灯驱动电路和LED灯终端。
6.如权利要求1所述的烟雾扩散算法程序，其代码存储于所述的Nor型闪存内部；考虑环境温度对扩散模型的影响，所述的烟雾扩散算法程序，算法公式为：
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