CN108362840A - 基于环境中恶臭监测电子鼻远程反控的在线检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于环境中恶臭监测电子鼻远程反控的在线检测装置，包括：云平台、在线监测平台和反控装置；云平台是虚拟的工控机，在线监测平台和反控装置实时展示在线电子鼻检测仪的检测数据以及工作状态，对云平台发送指令；在线监测平台和反控装置的结构组成：外壳以及风扇，传感器气室，加热板；空气滤清器，过滤器，气泵，嵌入式控制器，数据采集器，电源和空气保护开关等；本发明可以实时远程查看恶臭电子鼻的工作状态、传感器漂移预警、远程进行传感器测试和校准功能，方便快捷，减少人力和物力，操作简单，自动化程度高，提高了电子鼻测试精准度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于环境中恶臭监测电子鼻远程反控的在线检测装置，可以远程检修电子鼻、实现自动校准功能，提高电子鼻测试精准度。
背景技术
凡是能损害人类生活环境、产生令人难以忍受的气味或使人产生不愉快感觉的气体通称恶臭，是世界公认的七大危害之一。恶臭物质分布很广，影响范围大，已成为大家健康的威胁。恶臭物质多来源于化学、制药、制纸、制革、肥料、食品、铸造等工业。
电子鼻是一种气味指纹检测方法，其检测结果所显示的图谱又被称为气味指纹图谱，是近十年来快速发展起来的一个新兴事物，主要利用气味传感器、数据处理设备和分析软件组成的装置，它以气体为分析对象，通过模拟人的嗅觉系统对待检气味捕捉和检测，因此这种气味指纹检测装置被形象的称为电子鼻，这种气味指纹检测技术又被称为电子鼻技术。电子鼻在线恶臭检测仪可以在几小时、几天甚至数月的时间内连续地、实时地监测特定位置的恶臭状况，并分析对周边区域带来的影响。
目前，国内基于电子鼻的恶臭电子鼻在线监测仪均在研究阶段，距离环保监测应用普及尚不成熟。主要由以下几点：(1)传感器对工作环境比较灵敏，恶臭电子鼻在线检测仪主要安装时室外，冬天寒冷和夏天暴晒对设备的准确度影响较大。(2)模式识别方法有待改进传统的模式识别方法如主成分分析、最小二乘法、判别式分析等采用的是线性处理，而传感器的响应机制是比较复杂的，因此难以获得精确的模型。人工神经网络作为一种实现复杂非线性映射的方法，相对于传统识别方法具有较好的识别效果，但是需要的训练样本量比较大，给取样带来了不便。(3)传感器与污染气体长期接触，导致传感器信号漂移，精确度降低，需要经常测试和校准。因此，有必要开发一种远程反控装置，去提高恶臭电子鼻在线检测仪的定性定量分析能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于环境中恶臭监测电子鼻远程反控的在线检测装置，该装置可以解决现有技术存在的不足，实时远程查看恶臭电子鼻的工作状态、传感器漂移预警、远程进行传感器测试和校准功能，方便快捷，减少人力和物力，操作简单，自动化程度高。
本发明提供的一种基于环境中恶臭监测电子鼻远程反控的在线检测装置包括：云平台（云服务器平台）、在线监测平台和反控装置组成。云平台是虚拟的工控机，可以发送和接收监测数据和计算机命令。在线监测平台和反控装置实时展示在线电子鼻检测仪的检测数据以及工作状态，对云平台发送指令。在线监测平台和反控装置的组成结构为：
外壳以及风扇，用于放置整个组成部件的保护箱以及保持箱体内空气对流。
气室，用于填装检测恶臭浓度的金属氧化物传感器、硫化氢传感器、氨气传感器、PID传感器、温度传感器、加热板。
空气滤清器，用于充填去除环境空气中污染气体、灰尘、水分等物质的活性炭吸附剂。
过滤器，用于充填去除环境空气中水分和灰尘的过滤棉。
校准标气储气瓶，用于提供恶臭电子鼻校准标气。
气泵，用于整个气路系统的抽气吸气。
嵌入式控制器，用于整个在线检测装置的控制、信号处理和传输的电路板。
数据采集器，用于连接电路板嵌入式控制器和云平台之间数据传输。
电源和空气保护开关，用于为整个电路系统提供24V电压。以及连接气仓的清洗路进气口、测试路进气口、校准标气路出气口和电路接口；
所述的清洗路、测试路、校准标气路与气室通过两位两通电磁阀相连，电磁阀与嵌入式控制器电路板通过导线连接。嵌入式控制器电路板通过导线连接传感器、气泵、电源。气泵通过聚四氟乙烯气管与气室连接，嵌入式控制器电路板与数据采集控制器通过232串口线或者USB线相连。
云平台与数据采集器通过无线连接，之间有相互的数据通讯协议，数据采集器采集数据后通过数据流量卡发送至云平台。
本发明的温度传感器，加热板和风扇构成温度控制单元，温度传感器用于实时监测气室温度，加热板对气室进行加热，风扇保持控制箱内空气对流。
本发明所述的嵌入式控制器由传感器模块、信号传输电路、信号存储电路、信号发送电路组成，嵌入式控制器主要完成模式识别、数据处理、泵阀等配件控制、数据传输至数据采集控制器。
本发明所述的数据采集控制器主要完成数据采集、发送至云平台；并将云平台发送的指令传输至电子鼻嵌入式控制器，控制配件工作，改变电子鼻设备参数、切换电子鼻工作模式等。
本发明所述的基于环境中恶臭监测电子鼻远程反控的在线检测装置的控制方法主要包括：
1）远程诊断功能：实时监控设备的运行状态，进行传感器漂移程度诊断、活性炭净气效果诊断。
2）自动校准功能：通过诊断，判断传感器漂移，若已经漂移，需要对传感器校准。此时发送设备关闭测试路，打开清洗路和标气校准路，对传感器进行标气自动校准。
3）自动采样：平台设置相对应的阈值，超过阈值，云平台发送采样命令，设备会自动留样，并进行嗅辨实验室分析，并根据《恶臭污染物排放标准》(GB14554-93)进行超标处罚。
本发明针对传感器对检测环境比较敏感，主要是环境的温度和湿度对传感器响应信号影响较大的问题提出新的设计，设备气路共分为清洗路、测试路和校准标气路三路进气，这三路相互独立，可以通过嵌入式电路系统进行控制，测试恶臭气体恶臭浓度时，一个测试周期包含清洗路和测试路，清洗路和测试路之间相互切换，上一个测试周期的清洗路响应值和下一个测试路的响应值作比较，最后计算出传感器的响应特征值，根据传感器响应特征值阵列计算出恶臭浓度值，比传统的依靠响应值计算模型得出恶臭浓度值精确度更高，并且免受环境温度和湿度对传感器的影响。
本发明经过大量实验论证，最后成功找到一种标气配比方案。由于气室具有七个传感器，测试校准七个传感器理论上需要七种不同气体进行校准，耗时耗力。经过多次实验发现，异丁烯对四种金属氧化物传感器和PID传感器均响应良好，气体硫化氢和气体氨气分别用于校准硫化氢传感器和氨气传感器，并且硫化氢、氨气和VOC相互之间并不干扰。因此，可以配混合标气于一个气瓶中，可以校准整个气室中七个传感器。
本发明反控装置与电子鼻检测仪共同放在控制箱内，其优点在于：整套系统由电路板嵌入式系统控制，体积小，节省空间。通过监测平台可以实时监控电子鼻的工作状态、工作环境；通过电子鼻传输过来的参数指标可以判断传感器的精确度并通过在线平台对设备进行远程自动校准；超标自动留样；通过在线平台可以发送指令，对电子鼻设备进行线路切换、修改参数。自动化程度高，节省人力和财力等维护成本，提高电子鼻设备数据的精确度。
附图说明
图1为本发明组成结构的示意图。
图2为电子鼻远程反控的流程框图。
图3为自动校准程序流程图。
图4为嵌入式控制电路板的电路控制图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的说明。
参照图1，本发明所述的反控机构和恶臭电子鼻一同放置在集成度高的控制箱内。它包括连接气室的清洗路进气口1、测试路进气口2、出气口3、电路接口4；用于去除环境空气中污染气体、灰尘、水分等物质的活性炭5；去除环境空气中水分和灰尘的过滤棉6；用于装填传感器的气室7；用于整个装置的控制、信号处理和传输的电路板嵌入式控制器8；用于提供恶臭电子鼻校准的标气储气瓶9（装异丁烯、硫化氢、氨气混合气）；用于整个气路系统的抽气吸气的气泵10；用于连接电路板嵌入式控制器和云平台之间数据传输的无线数据采集控制器11（HL-RTU-01，深圳市华澜环保科技有限公司）；为整个电路系统提供24V电压的电源12和空气保护开关13；为整个系统提供空气对流的风扇14；第一金属氧化物传感器a(MQ2，郑州炜盛电子科技有限公司)、第二金属氧化物传感器b(MQ4，郑州炜盛电子科技有限公司)、第三金属氧化物传感器c(MQ5，郑州炜盛电子科技有限公司)、第四金属氧化物传感器d(MQ135，郑州炜盛电子科技有限公司)四个金属氧化物传感器、硫化氢传感器e(MQ136，郑州炜盛电子科技有限公司)、氨气传感器f(MQ137，郑州炜盛电子科技有限公司)、PID传感器g(PID-A1，英国Alphasense公司)、温度传感器h(DS18B20，深圳市天世凯电子有限公司)组成的传感器阵列15；控制气路的电磁阀(3V206NCB，广州亚德客气动元件有限公司)16；保持气瓶出口气体压力恒定的减压阀(AEROTECH泰科爱尔A-1H，泰科爱尔科技有限公司)17；用于放置上述组成部件的保护箱外壳18。
本发明所述的清洗路、测试路、标气校准路与气室通过电磁阀16相连，电磁阀16与电路板嵌入式控制器8通过导线连接。电路板嵌入式控制器8通过导线连接传感器、气泵10、电源12。四个金属氧化物传感器、硫化氢传感器、氨气传感器、PID传感器、温度传感器的传感器阵列15通过螺丝固定在气室7上。气泵10通过聚四氟乙烯气管与气室7连接，电路板8和数据采集（控制）器通过232串口线或者USB线相连。
云平台与数据采集器通过无线连接，之间有相互的数据通讯协议，数据采集器采集数据后通过数据流量卡发送至云平台。
在线恶臭监测仪组成部件主要为：活性炭、过滤棉、气室、嵌入式控制器、气泵、24V电源、空开、四种金属氧化物传感器、硫化氢传感器、氨气传感器、PID传感器、温度传感器、加热板、风扇以及连接这些零配件的导线和信号线。
本发明所述的反控机构主要由被控制元器件、电路板嵌入式控制器(自主研发)、数据采集（控制）器、云平台、监测平台组成。
系统气路共有三条，清洗路、测试路、校准路。清洗路主要用于传感器提供清洁空气，测试路用于传感器提供测试气体，标气气瓶为传感器提供校准气体。
实施例如图2，控制方法包括的步骤：
传感器信号通过电路板嵌入系统实时发送至数据控制，数据采集控制器接收到数据，并将数据通过内部3G网传输至云服务器平台，云平台主要对信号数据进行采集、计算并发送至在线监测平台。在线监测平台显示臭气浓度、各目标气体含量，实时数据和历史数据，监测区域某段时间内浓度梯度变化，可根据需要导出特定时间的数据，并记录设备的维护和检修、报警情况，生成报告。
监测平台通过云平台可以观察传感器传输的传感器响应值，温度值等参数，从而可以判断恶臭电子鼻的工作状态。监测平台可以通过清洗路传感器传输来的响应值判断传感器是否漂移，一旦漂移，监测平台会发出传感器漂移预警信号。
如图3所示，自动校准程序(也可以设置为手动校准)打开，监测平台发送自动校准指令，通过数据采集器传输至嵌入式控制系统，嵌入式控制系统接收到指令，控制电磁阀的工作，从而关闭清洗路和测试路，校准路打开。 标气通过导管进入气室，与传感器接触，传感器会发送信号通过数据采集器传输至云平台，通过传感器信号判断传感器是否漂移，若没有漂移，自动校准程序关闭，恶臭电子鼻正常工作；若发生漂移，在监测平台通过校准程序改变传感器信号参数，使得传感器的信号值达到正常值，恶臭值是通过传感器阵列的信号值通过数学算法计算得到的，但是由于恶臭气体错综复杂，一种数学模型并不是对各种气体都适用。通过传感器的信号值与现场的恶臭值作比对，在云平台上通过数学算法，改变数学模型系数，作用于电子鼻，从而提高恶臭电子鼻的计算精确度。
嵌入式控制器的电路控制图如图4所示，嵌入式控制器模块包括芯片STM32L051C8T6、D3发光二极管、1KΩ电阻R5、10KΩR12电阻。控制器芯片STM32L051C8T6的引脚43与电阻R5以及发光二极管D3相串联，另一头连接3.3V电源。控制器芯片STM32L051C8T6的引脚44与电阻R12，电阻R12的另一端接地。控制器芯片STM32L051C8T6的引脚2与1*2排针的清洗路电磁阀驱动模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚3与1*2排针的测试路电磁阀驱动模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚4与1*2排针的校准路电磁阀驱动模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚7与1*4排针的单片机复位模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚11与1*2排针的加热板模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚13、引脚14、引脚15、引脚16、引脚17、引脚18、引脚19分别与1*4排针第四金属氧化物传感器d、氨气传感器f、第三金属氧化物传感器c、PID传感器g (PID-A1传感器)、硫化氢传感器e、第二金属氧化物传感器b、第一金属氧化物传感器a驱动模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的29引脚29与1*3排针的温度传感器h模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚30、引脚31与1*4排针的USB模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚34、引脚37与1*4排针的程序下载模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚45与1*2排针的泵驱动模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚46与1*4排针的风机模块连接。
综上所述，本发明提供了基于环境中恶臭监测电子鼻远程反控的在线检测装置，本发明实施例在实现无线远程控制的基础上，对环境气体实施了在线监测功能，实现随时随地地进行传感器测试和校准，并实时监测并记录区域内主要恶臭浓度，可有效加强恶臭污染重点区域内环境监测力度，实现远程实时监控，并可实现恶臭浓度超标时自动向监测中心报警。
Claims (8)
1.一种基于环境中恶臭监测电子鼻远程反控的在线检测装置，其特征在于包括：云平台、在线监测平台和反控装置；云平台是虚拟的工控机，用于发送和接收监测数据和计算机命令；在线监测平台和反控装置实时展示在线电子鼻检测仪的检测数据以及工作状态，对云平台发送指令；在线监测平台和反控装置的组成结构为：
外壳以及风扇，用于放置整个组成部件的保护箱以及保持箱内空气对流；
气室，用于填装检测恶臭浓度的金属氧化物传感器、硫化氢传感器、氨气传感器、PID传感器、温度传感器、加热板；
空气滤清器，用于充填去除环境空气中污染气体、灰尘、水分各物质的活性炭吸附剂；
过滤器，用于充填去除环境空气中水分和灰尘的过滤棉；
校准标气储气瓶，用于提供恶臭电子鼻校准标气；
气泵，用于整个气路系统的抽气吸气；
嵌入式控制器，用于整个在线检测装置的控制、信号处理和传输的电路板；
数据采集器，用于连接电路板嵌入式控制器和云平台之间数据传输；
电源和空气保护开关，用于为整个电路系统提供24V电压；以及连接气仓的清洗路进气口、测试路进气口、校准标气路出气口和电路接口。
2.根据权利要求1所述的远程反控的在线检测装置，其特征在于所述的清洗路、测试路、校准标气路与气室通过两位两通电磁阀相连，电磁阀与嵌入式控制器电路板通过导线连接；嵌入式控制器电路板通过导线连接传感器、气泵、电源；气泵通过聚四氟乙烯气管与气室连接，嵌入式控制器电路板与数据采集控制器通过232串口线或者USB线相连。
3.根据权利要求1所述的远程反控的在线检测装置，其特征在于云平台与数据采集器通过无线连接，之间有相互的数据通讯协议，数据采集器采集数据后通过数据流量卡发送至云平台。
4.根据权利要求1所述的远程反控的在线检测装置，其特征在于所述的嵌入式控制器由传感器模块、信号传输电路、信号存储电路、信号发送电路组成，用于完成模式识别、数据处理、泵阀等配件控制、数据传输至数据采集器。
5.根据权利要求1所述的远程反控的在线检测装置，其特征在于所述的数据采集器主要完成数据采集、发送至云平台；并将云平台发送的指令传输至电子鼻嵌入式控制器，控制配件工作，改变电子鼻设备参数、切换电子鼻工作模式。
6.根据权利要求1所述的远程反控的在线检测装置，其特征在于所述的嵌入式控制器模块包括控制器芯片STM32L051C8T6、D3发光二极管、1KΩ电阻R5、10KΩR12电阻；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚43与电阻R5以及发光二极管D3相串联，另一头连接3.3V电源；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚44与电阻R12，电阻R12的另一端接地；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚2与1*2排针的清洗路电磁阀驱动模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚3与1*2排针的测试路电磁阀驱动模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚4与1*2排针的校准路电磁阀驱动模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚7与1*4排针的单片机复位模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚11与1*2排针的加热板模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚13、引脚14、引脚15、引脚16、引脚17、引脚18、引脚19分别与1*4排针第四金属氧化物传感器、氨气传感器、第三金属氧化物传感器、PID传感器、硫化氢传感器、第二金属氧化物传感器、第一金属氧化物传感器驱动模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的29引脚29与1*3排针的温度传感器模块连接；
控制器芯片STM32L051C8T6的引脚30、引脚31与1*4排针的USB模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚34、引脚37与1*4排针的程序下载模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚45与1*2排针的泵驱动模块连接；控制器芯片STM32L051C8T6的引脚46与1*4排针的风机模块连接。
7.根据权利要求1所述的远程反控的在线检测装置，其特征在于所述的活性炭、过滤棉、气室、嵌入式控制器、气泵、24V电源、空开、四种金属氧化物传感器、硫化氢传感器、氨气传感器、PID传感器、温度传感器、加热板、风扇以及连接这些部件的导线和信号线组成在线恶臭监测仪。
8.权利要求1所述的基于环境中恶臭监测电子鼻远程反控的在线检测装置的控制方法，其特征在于包括的步骤：
1）传感器信号通过电路板嵌入系统实时发送至数据控制，数据采集控制器接收到数据，并将数据通过内部3G网传输至云服务器平台，云平台对信号数据进行采集、计算并发送至在线监测平台；在线监测平台显示臭气浓度、各目标气体含量，实时数据和历史数据，监测区域某段时间内浓度梯度变化，根据需要导出特定时间的数据，并记录设备的维护和检修、报警情况，生成报告；
2）监测平台通过云平台观察传感器传输的传感器响应值，温度值等参数，判断恶臭电子鼻（在线恶臭监测仪）的工作状态；监测平台通过清洗路传感器传输来的响应值判断传感器是否漂移，一旦漂移，监测平台会发出传感器漂移预警信号；
3）自动校准程序打开或设置为手动校准，监测平台发送自动校准指令，通过数据采集器传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器接收到指令，控制电磁阀的工作，从而关闭清洗路和测试路，校准路打开；标气通过导管进入气室，与传感器接触，传感器会发送信号通过数据采集器传输至云平台，通过传感器信号判断传感器是否漂移，若没有漂移，自动校准程序关闭，恶臭电子鼻正常工作；若发生漂移，在监测平台通过校准程序改变传感器信号参数，使得传感器的信号值达到正常值。
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