CN108414976A - 防爆型蓝牙定位装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种防爆型蓝牙定位装置，包括：电池；蓝牙模块，其与电池电连接；射频天线，其与蓝牙模块电连接；本质安全防护电路，其电连接于电池和蓝牙模块之间，被配置为使电池和蓝牙模块之间的能量传输值满足预设的本质安全要求；以及外壳，其用于容置电池和蓝牙模块，射频天线的端路贯穿外壳与蓝牙模块电连接。本发明通过在防爆型蓝牙定位装置内设置有本质安全防护电路，能够从电流和电压两方面来保护电路安全，具有优良的防爆性能。与蓝牙模块结合使用，可以有效地解决化工厂等危险区域人员精准定位的难题，对石油炼化企业的施工和后期的维护带来了极大便利，具有重大的应用价值和推广价值。

Description

防爆型蓝牙定位装置
技术领域
本发明涉及工业物联网及智能仪器仪表技术领域，尤其涉及一种可应用于化工厂区域的防爆型蓝牙定位装置。
背景技术
石油炼化企业具有以下特点：生产线长、涉及面广、装置在高温高压下操作、原料及产品易燃易爆且毒性很强。如果发生事故，很容易出现大面积的恶性事件的后果。因此，在炼化过程中，加入人员定位功能，对人员巡检过程做实时监控，同时为发生危险后的及时救援提供支持，就显得很有必要。然而，传统的GPS定位技术由于室内GPS信号差与定位精度低等问题满足不了化工厂实际场景的需求。因此，在石油炼化企业中人员定位的精度问题一直是个困扰施工的瓶颈。
蓝牙是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换(使用2.4-2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波)。蓝牙技术作为RS232数据线的替代方案，可连接多个设备，克服了数据同步的难题。
随着无线通信技术的快速发展，蓝牙定位技术在日常生活与工业中的应用越来越广泛。在室内定位领域，蓝牙定位技术可有效解决室内GPS定位信号差、定位精度低等问题。但是，目前市面上的蓝牙定位装置的结构一般是由非本质安全电源、蓝牙模块、PCB内置天线和塑料外壳等机构组成，不具有防爆性能，且防水防尘等级较低，因此无法应用于化工厂等危险区域。
因此，提供一种具有防爆性能的蓝牙定位装置，以有效解决化工厂区域人员精准定位的问题，从而为企业的施工和后期的维护带来极大便利，就显得尤其重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有技术中的蓝牙定位装置不具有防爆性能，且防水防尘等级较低，无法应用于化工厂等危险区域，以致不能有效解决化工厂等危险区域人员精准定位的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种防爆型蓝牙定位装置。
根据本发明的实施例，提供了一种防爆型蓝牙定位装置，包括：
电池；
蓝牙模块，其与所述电池电连接；
射频天线，其与所述蓝牙模块电连接；
本质安全防护电路，其电连接于所述电池和所述蓝牙模块之间，被配置为使所述电池和所述蓝牙模块之间的能量传输值满足预设的本质安全要求；以及
外壳，其用于容置所述电池和所述蓝牙模块，所述射频天线的端路贯穿所述外壳与所述蓝牙模块电连接。
优选地，所述本质安全防护电路包括保险丝，其串接于所述电池与所述蓝牙模块电连接的回路中，被配置为在所述回路中的电流大于预设电流阈值时断开。
优选地，所述本质安全防护电路还包括欠压保护电路，其串接于所述电池与所述蓝牙模块电连接的回路中，被配置为在所述电池的输出电压小于预设电压欠压阈值时使所述回路断开。
优选地，所述欠压保护电路包括彼此连接的电压检测器和功率MOS管，
其中，所述电压检测器并联于所述电池的两端，被配置为检测所述电池的输出电压；
所述功率MOS管的栅极连接所述电压检测器，源极连接所述电池，漏极连接所述蓝牙模块，所述功率MOS管被配置为在所述电压检测器的输出显示所述电池的输出电压小于所述预设电压欠压阈值时关断。
优选地，所述电池为锂-亚硫酰氯电池。
优选地，所述蓝牙模块为片上系统。
优选地，所述外壳为隔爆外壳。
优选地，所述外壳是由铝合金材料制成的防水型隔爆外壳。
优选地，所述射频天线为防水外置天线。
优选地，所述防爆型蓝牙定位装置还包括第一密封圈和第二密封圈，所述第一密封圈位于所述射频天线贯穿所述外壳的位置处，所述第二密封圈位于用于将所述蓝牙模块的天线接头与所述射频天线的端路进行螺纹连接的螺母与所述射频天线的端路之间。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
应用本发明实施例提供的防爆型蓝牙定位装置，由于在电池与蓝牙模块之间设置有本质安全防护电路，该本质安全防护电路内部具有保险丝保护电路和欠压保护电路。通过保险丝保护电路限制电流，以避免电路短路时电流过大引燃爆炸性气体，通过欠压保护电路限制电压，以防止电池过放而发生漏液以致引发危险。这样既做到了对电路的双重保护功能，使本发明实施例的蓝牙定位装置具有优良的防爆性能，可应用于化工厂等危险区域。与蓝牙模块结合使用，可以实现在室内等没有GPS信号的情况下对化工厂等危险区域人员的精准定位，对石油炼化企业的施工和后期的维护带来了极大便利，具有重大的应用价值和推广价值。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示出了本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置的结构示意图；
图2示出了本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置的蓝牙模块的三点定位算法的示意图；
图3示出了本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置的装配示意图；
图4示出了本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置的本质安全防护电路的电路图；
图5示出了本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置的本质安全防护电路的保险丝保护电路图；
图6示出了本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置的本质安全防护电路的欠压保护电路图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
为解决现有技术中的蓝牙定位装置不具有防爆性能，且防水防尘等级较低，无法应用于化工厂等危险区域，以致不能有效解决化工厂等危险区域人员精准定位的问题，本发明实施例提供了一种防爆型蓝牙定位装置。
图1为本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置的结构示意图。
如图1所示，本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置，主要包括：电池101、蓝牙模块102、射频天线103、本质安全防护电路104和外壳105。具体地，蓝牙模块102与电池101电连接。射频天线103与蓝牙模块102电连接。本质安全防护电路104电连接于电池101和蓝牙模块102之间，被配置为使电池101和蓝牙模块102之间的能量传输值满足预设的本质安全要求。外壳105用于容置电池101和蓝牙模块102。射频天线103的端路贯穿外壳105与蓝牙模块102电连接。
采用本实施例所述的防爆型蓝牙定位装置，由于在电池101与蓝牙模块102之间设置有本质安全防护电路104，可有效避免电路短路时电流过大引燃爆炸性气体和电池过放而发生漏液以致引发危险的现象，因此具有优良的防爆性能，可以应用于化工厂等危险区域。与蓝牙模块102结合使用，可以有效解决化工厂等危险区域人员精准定位的难题。
在本发明一优选的实施例中，电池101为高能量密度型的锂-亚硫酰氯电池。之所以选择高能量密度型的锂-亚硫酰氯电池，是因为与其它电池相比，其在相同体积的情况下，具有很高的容量，可以延长设备的使用寿命。当然，电池101也可以采用除锂-亚硫酰氯电池之外的其它电池，但该电池必须满足防爆性能的要求，具体要求请参见国标文件《GB3836.1-2010》和《GB3836.4-2010》对电池的要求。
在本发明一优选的实施例中，蓝牙模块102为TI CC2541芯片。该芯片是一款针对低能耗以及私有2.4GHz应用的功率优化的真正片上系统(SoC)。TI CC2541芯片将领先射频天线的出色性能和一个业界标准的增强型8051 MCU、系统内可编程闪存存储器、8KB RAM和很多其它功能强大的特性和外设组合在一起，非常适合应用于需要超低能耗的系统。
本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置通过将TI CC2541芯片与高能量密度型的锂-亚硫酰氯电池结合使用，可以实现在化工厂区域使用多年而无需更换电池的技术效果。
当然，蓝牙模块102也可以采用除TI CC2541芯片之外的其它芯片，例如TI CC2640芯片。
在本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置中，蓝牙模块102是通过三点定位算法来实现对化工厂区域人员的精准定位的。下面对该三点定位算法的具体步骤详细介绍如下。
首先，用户通过手持仪扫描蓝牙信号，收集3秒周期中的蓝牙信号强度数据，并将所收集到的蓝牙信号强度数据上传到服务器，其中该蓝牙信号强度数据包括蓝牙唯一标识及其对应的蓝牙信号强度。这里，需要说明的是，蓝牙唯一标识是指蓝牙标签的ID，每个蓝牙标签都具有一个唯一的ID值。
然后，服务器根据蓝牙唯一标识对蓝牙信号强度数据进行整理，根据每个蓝牙唯一标识的所有蓝牙信号强度数据，计算出每个蓝牙唯一标识在3秒周期中的蓝牙信号强度的平均值，取出3个信号最强的蓝牙数据(不足3个的直接取信号最强的蓝牙定位位置，后续步骤跳过)，以降低蓝牙信号波动造成的误差。
接着，从数据库中取出每个蓝牙唯一标识的具体位置，事先在地图上标注好每个蓝牙唯一标识的经纬度位置，这样一个蓝牙标签的ID就对应一个蓝牙标签的经纬度信息。随后，将所获取的3个蓝牙唯一标识的经纬度信息转换为大地坐标，分别表示为(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)。将未知点的坐标设为(x0,y0)，该未知点到上述三点的距离分别设为d1，d2，d3。分别以d1，d2，d3为半径作三个圆，根据毕达哥拉斯定理，得到以下表达式：
(x1-x0)2+(y1-y0)2＝d1 2 (1)
(x2-x0)2+(y2-y0)2＝d2 2 (2)
(x3-x0)2+(y3-y0)2＝d3 2 (3)
这里，需要说明的是，因为蓝牙信号存在波动情况，并不是每次3个圆都能刚刚好相交，大部分情况是一个区域，所以会有大概1米左右的误差，即得到图2。
在图2中，将未知点坐标重新设为(x,y)，令第一个球形P1的球心坐标为(0,0)，第二个球形P2处于相同纵坐标，球心坐标为(d,0)，第三个球形P3的球心坐标为(i,j)，三个球形半径分别为r1，r2，r3，z为三个球形的相交点与水平面的高度。则上述表达式(1)至(3)可以变为以下形式：
r1 2＝x2+y2+z2 (4)
r2 2＝(x-d)2+y2+z2 (5)
r3 2＝(x-i)2+(y-j)2+z2 (6)
令z＝0，即三个球形P1、P2、P3在水平面上相交为一点，求解出x的表达式如下：
令z≠0，分别将上述表达式(4)至(6)变形，求解出y的表达式如下：
基于此，即可得到未知点的大地坐标。
最后，将该未知点的大地坐标转换为经纬度坐标，即可得到未知点的位置信息，从而得到化工厂区域人员的精准位置。
在本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置中，通过蓝牙模块102采用三点定位算法来得到化工厂区域人员的精准位置，不需要蓝牙模块外接电源和网络，从而节省了石油炼化企业在密集装置区域布线和维护线路的成本。
在本发明一优选的实施例中，射频天线103为高增益的防水外置天线。增益是放大倍数，因此，高增益的防水外置天线可以放大发射功率，进而增大防爆型蓝牙定位装置的广播范围。当然，射频天线103也可以使用其它天线，只要该天线满足防水等特性且能够保证防爆型蓝牙定位装置的广播范围即可。之所以要求天线具有防水特性，是为了提高防护等级，使其适用于恶劣环境。
在本发明一优选的实施例中，外壳105为隔爆外壳。具体地，外壳105是由铝合金材料制成的防水型隔爆外壳，其具有IP66级别的防尘防水性能。当然，也可以使用其它外壳，只要该外壳满足一定的防水防尘等防护等级和防爆性能等参数且可适用于化工厂等恶劣环境即可。
图3为本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置的装配示意图。
如图3所示，本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置的外壳105包括外壳上盖1051和外壳底座1052。在装配时，首先将蓝牙模块102通过螺钉7固定在外壳底座1052中。在蓝牙模块102靠近中心的位置设置有一开孔，电池盒2通过将螺钉8旋入该开孔，并随后与位于蓝牙模块102下部的螺母5进行螺纹连接而固定在蓝牙模块102上。然后，将电池101装入电池盒2中。最后，将外壳上盖1051与外壳底座1052通过螺钉1固定连接。在外壳底座1052的上表面开设有一圆孔，射频天线103的端路通过该圆孔进入外壳底座1052，并与蓝牙模块102上设置的天线接头通过螺母6进行螺纹连接，来实现射频天线103与蓝牙模块102的电连接。在射频天线103贯穿外壳底座1052的位置处设置有第一密封圈3，用于密封射频天线103与外壳底座1052之间的间隙。在螺母6与射频天线103的端路之间设置有第二密封圈4，其相当于垫片，便于射频天线103与外壳底座1052、螺母6之间的装配。
本质安全防护电路104(图3未显示)电连接于电池101和蓝牙模块102之间，被配置为使电池101和蓝牙模块102之间的能量传输值满足预设的本质安全要求，从而使本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置具有优良的防爆性能，可以应用于化工厂等危险区域。下面对本质安全防护电路104进行详细描述。
本质安全防护电路104为防爆型蓝牙定位装置提供电源。为配合防爆型蓝牙定位装置达到Ex ib IIC T4的标准并在危险场所工作，本质安全防护电路104内部提供保险丝保护电路和欠压保护电路，保险丝保护电路通过低电流保险丝控制电池放电能量满足防护等级“ib”，欠压保护电路保证在预设电压欠压阈值(此处设为2V)以下关断电池输出。
本质安全防护电路104设计的参照标准如下：
GB3836.1-2010爆炸性环境用防爆电气设备第1部分-通用要求
GB3836.4-2010爆炸性环境用防爆电气设备第4部分-本质安全型“i”
本质安全防护电路104的主要性能指标见下表1，其它功能性指标参考设计基准书中规格章节和软件规格说明书。
表1
图4为本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置的本质安全防护电路的电路图。
如图4所示，本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置的本质安全防护电路104主要包括：保险丝、电压检测器以及功率MOS管。
保险丝可分为熔断型保险丝和自恢复型保险丝，本发明实施例采用额定电流相对较小的自恢复型保险丝。
根据GB3836.4-2010爆炸性环境用防爆电气设备第4部分-本质安全型“i”第七章中对选取保险丝的要求。保险丝熔断电流至少要等于1.7倍的工作电流。当防爆型蓝牙定位装置正在广播且电池电压为3.3V时，电池直接供电模式下的电流最大，为20mA。通过计算，保险丝最小熔断电流为34mA。根据防护等级“ib”要求，本发明实施例选取额定电流为50mA、跳闸电流为200mA的保险丝。
根据尺寸选取额定电流较小的SMD0603-005-24V保险丝，该保险丝的参数如下表2所示。
表2
电压检测器用于检测电池101的输出电压。锂-亚硫酰氯电池完全满电的电压为3.6V，电池过度放电会带来电池漏液的安全隐患，按厂商推荐的电池不应该放电到2V以下。本发明实施例选择低静态电流的型号为NCP302LSN20T1的电压检测器，以提供电池欠压保护检测功能。电压检测器的主要参数如下表3所示。
型号 NCP302LSN20T1
静态电流 0.5μA
工作电压 0.8-10V
复位有效状态 低电平复位
复位输出电流 2.5mA
检测电压 2.0V
封装 SOT23-5
表3
功率MOS管被配置为在电压检测器的输出显示电池101的输出电压小于预设电压欠压阈值时，将电池的负极与电路的地线断开。在本发明实施例中，当锂-亚硫酰氯电池的电压低于预设电压欠压阈值(即2V)后，电压检测器检测到电压过低，驱动功率MOS管关闭电路，实现锂-亚硫酰氯电池欠压保护，防止电池过度放电。功率MOS管的主要参数如下表4所示。
型号 Si2308BDS-T1-GE3
FET类型 MOSFET N通道
漏源极电压(Vdss) 60V
最大功率 1.66W
工作温度 -55℃～150℃
安装类型 表面贴装
封装 SOT23-3
表4
具体地，本发明实施例的本质安全防护电路104主要是通过内部的保险丝保护电路和欠压保护电路来实现防爆功能的。
保险丝保护电路的工作原理如下：在最大工作电流的情况下，电路要同时保证限制电池的输出能量和电路的阻抗最小。为满足ib保护等级的要求，通过保险丝将电流限制在熔断电流以下，保险丝被认为是安全电阻器件。当电流过大时，保险丝熔断，保护电路。
保险丝保护电路如图5所示。自恢复保险丝串接于电池101与蓝牙模块102电连接的回路中，当电路电流超过保险丝的跳闸电流时，保险丝便自动跳闸，实现电路断开，保证整个电路在额定电流以下工作。可见，保险丝限流是为了避免电路短路时电流过大引燃爆炸性气体，是通过限制能量来保护电路。
电池过低会导致过热等、漏液等不稳定隐患的可能，所以要通过限压功能来保护电路。欠压保护电路如图6所示。欠压保护电路包括彼此连接的电压检测器和功率MOS管。其中，电压检测器并联于电池101的两端，用于检测电池101的输出电压；功率MOS管的栅极连接电压检测器，源极连接电池101，漏极连接蓝牙模块102，当电压检测器的输出显示电池101的输出电压小于预设电压欠压阈值(即2V)时，功率MOS管将电池的负极与电路的地线断开。可见，欠压保护电路是通过限压来保护电池，防止电池过放而发生漏液以致引发危险，具体请参见本安防爆设计书3.2。
综上所述，本发明实施例的本质安全防护电路104内部具有保险丝保护电路和欠压保护电路。通过保险丝保护电路限制电流，以避免电路短路时电流过大引燃爆炸性气体，通过欠压保护电路限制电压，以防止电池过放而发生漏液以致引发危险。这样既做到了对电路的双重保护功能，使本发明实施例的蓝牙定位装置具有优良的防爆性能，可应用于化工厂等危险区域。
本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置是通过外壳防护等级试验、结构检查、火花点燃试验、温度试验和介电强度试验这5个方面的检测来评价其防爆性能的。具体请参考下表5。
表5
由上表5可见，本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置的上述5项检测结果均为合格。因此，可以判定，本发明实施例的防爆型蓝牙定位装置由于具有上述构造而具有优良的防爆性能，因此可以应用于化工厂等危险区域。
应用本发明实施例提供的防爆型蓝牙定位装置，由于在电池与蓝牙模块之间设置有本质安全防护电路，该本质安全防护电路内部具有保险丝保护电路和欠压保护电路。通过保险丝保护电路限制电流，以避免电路短路时电流过大引燃爆炸性气体，通过欠压保护电路限制电压，以防止电池过放而发生漏液以致引发危险。这样既做到了对电路的双重保护功能，使本发明实施例的蓝牙定位装置具有优良的防爆性能，可应用于化工厂等危险区域。与蓝牙模块结合使用，可以实现在室内等没有GPS信号的情况下对化工厂等危险区域人员的精准定位，对石油炼化企业的施工和后期的维护带来了极大便利，具有重大的应用价值和推广价值。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种防爆型蓝牙定位装置，其特征在于，包括：
电池；
蓝牙模块，其与所述电池电连接；
射频天线，其与所述蓝牙模块电连接；
本质安全防护电路，其电连接于所述电池和所述蓝牙模块之间，被配置为使所述电池和所述蓝牙模块之间的能量传输值满足预设的本质安全要求；以及
外壳，其用于容置所述电池和所述蓝牙模块，所述射频天线的端路贯穿所述外壳与所述蓝牙模块电连接。
2.根据权利要求1所述的防爆型蓝牙定位装置，其特征在于，所述本质安全防护电路包括保险丝，其串接于所述电池与所述蓝牙模块电连接的回路中，被配置为在所述回路中的电流大于预设电流阈值时断开。
3.根据权利要求2所述的防爆型蓝牙定位装置，其特征在于，所述本质安全防护电路还包括欠压保护电路，其串接于所述电池与所述蓝牙模块电连接的回路中，被配置为在所述电池的输出电压小于预设电压欠压阈值时使所述回路断开。
4.根据权利要求3所述的防爆型蓝牙定位装置，其特征在于，所述欠压保护电路包括彼此连接的电压检测器和功率MOS管，
其中，所述电压检测器并联于所述电池的两端，被配置为检测所述电池的输出电压；
所述功率MOS管的栅极连接所述电压检测器，源极连接所述电池，漏极连接所述蓝牙模块，所述功率MOS管被配置为在所述电压检测器的输出显示所述电池的输出电压小于所述预设电压欠压阈值时关断。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的防爆型蓝牙定位装置，其特征在于，所述电池为锂-亚硫酰氯电池。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的防爆型蓝牙定位装置，其特征在于，所述蓝牙模块为片上系统。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的防爆型蓝牙定位装置，其特征在于，所述外壳为隔爆外壳。
8.根据权利要求7所述的防爆型蓝牙定位装置，其特征在于，所述外壳是由铝合金材料制成的防水型隔爆外壳。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的防爆型蓝牙定位装置，其特征在于，所述射频天线为防水外置天线。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的防爆型蓝牙定位装置，其特征在于，还包括第一密封圈和第二密封圈，所述第一密封圈位于所述射频天线贯穿所述外壳的位置处，所述第二密封圈位于用于将所述蓝牙模块的天线接头与所述射频天线的端路进行螺纹连接的螺母与所述射频天线的端路之间。
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