CN108732309A - 一种动态环境的气体采集监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体监测技术领域，公开了一种动态环境的气体采集监测系统，包括微控制器、气体传感器模块、核辐射传感器模块、气泵模块、无线通信模块、电源模块、存储模块、北斗定位模块、实时时钟模块和报警模块。气体传感器模块用于检测泄漏气体的气体类型和浓度，核辐射传感器模块用于检测带有γ射线的放射性气体，气泵模块用于向气体传感器模块传输检测的气体，无线通信模块将系统的信息发送给远程终端，北斗定位模块用于对系统进行定位。本发明可以对泄漏气体的气体类型和浓度进行检测，还可以检测带有γ射线的放射性气体，并将检测的信息及系统位置发送给远程终端，进行各种危险事故的监测、定位、处理和善后工作。
Description
技术领域
本发明属于气体监测技术领域，具体涉及一种动态环境的气体采集监测系统。
背景技术
目前，石油钻井、矿山开采、隧道工程建筑以及化工生产中可能会出现一些危险气体和毒化物质，这些有害气体污染物一旦泄漏并扩散开来，将会对现场的工作人员及环境造成巨大的伤害。市场上具有一些监测危险气体的检测仪，但这些仪器有的检测时间长，有的精度低，并且不够智能化，不能快速的完成气体污染物的监测并及时向外传输数据，通知周围的人员做好防护措施及应对方案。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种对动态环境的气体进行采集监测并及时向外传输信息的监测系统。
本发明所采用的技术方案为：一种动态环境的气体采集监测系统，包括微控制器、气体传感器模块、核辐射传感器模块、气泵模块、无线通信模块、电源模块、存储模块、北斗定位模块、实时时钟模块和报警模块。所述气体传感器模块用于检测泄漏气体的气体类型和浓度，核辐射传感器模块用于检测带有γ射线的放射性气体，气泵模块用于向气体传感器模块传输检测的气体，无线通信模块将系统的信息发送给远程终端，存储模块用于储存系统的数据，北斗定位模块用于对系统进行定位。所述微控制器分别与气体传感器模块、核辐射传感器模块、气泵模块、无线通信模块、存储模块、北斗定位模块、实时时钟模块和报警模块电连接，所述电源模块分别与微控制器、气体传感器模块、核辐射传感器模块、气泵模块、无线通信模块、存储模块、北斗定位模块、实时时钟模块和报警模块电连接。
作为优选方式，所述气体传感器模块包括壳体，所述壳体两侧相对设置有进气口和出气口，壳体内设有电路板，电路板上设有气体传感器和数据接口连接器，所述气体传感器与壳体内壁之间设有密封圈。所述壳体内壁设有凸起，所述凸起与气体传感器之间留有气隙，所述气隙两端分别与进气口和出气口连通。
作为优选方式，所述气泵模块包括气泵，气泵连接有气泵管线，气泵管线上连接有多个气体传感器模块。
作为优选方式，所述气泵管线包括第一进气管和第一出气管，所述第一进气管与气泵相连，第一进气管分别与多个气体传感器模块的进气端相连，且多个气体传感器模块的出气端分别与第一出气管相连。
作为优选方式，所述气泵管线包括第二进气管和第二出气管，所述第二进气管分别与多个气体传感器模块的进气端相连，且多个气体传感器模块的出气端分别与第二出气管相连，第二出气管与气泵相连。
作为优选方式，所述气泵管线包括第三进气管、支气管和第三出气管，所述第三进气管与一部分气体传感器模块的进气端相连，该部分气体传感器模块的出气端与支气管的进气端相连；支气管与气泵相连，支气管的出气端与另一部分气体传感器模块的进气端相连，且该部分气体传感器模块的出气端与第三出气管相连。
作为优选方式，所述电源模块包括电源转换装置，电源转换装置设有多个不同输出电流的接口。
作为优选方式，所述微控制器设有第一ADC模块，微控制器通过第一ADC模块读取电源转换装置的输出电流。
作为优选方式，所述微控制器设有第二ADC模块，微控制器通过第二ADC模块读取气泵的工作电流。
作为优选方式，还包括显示模块和输入模块，所述显示模块和输入模块分别与微控制器电连接。
本发明的有益效果为：
1、本发明设置有气体传感器模块和核辐射传感器模块，气体传感器模块可以对泄漏气体的气体类型和浓度进行检测，核辐射传感器模块用于检测带有γ射线的放射性气体，并通过无线通信模块将检测的信息及系统位置发送给远程终端，可广泛应用于军事防化、工业安全、消防救援、应急事故、环境污染等领域，进行各种危险事故的监测、定位、处理和善后工作。
2、本发明的气体传感器模块设有气隙，气隙两端分别与进气口和出气口连通。气体从进气口进入气体传感器模块中向气体传感器表面运动，促进气体中的污染物分子扩散进入传感器内部，提高了测量准确度。
3、本发明气泵模块的气泵管线上连接有多个气体传感器模块，气泵设置在气泵管线上的不同位置，可以对粘性气体和非粘性气体分别进行检测，满足了不同场合的需求，保证各个气体传感器模块检测的数据准确可靠。
4、本发明的微控制器设有第二ADC模块，微控制器通过第二ADC模块读取气泵的工作电流，进行数据采样，根据采样数据判断气泵是处于正常或者短路的某个状态，可以及时发现气泵的故障情况并发出提示，提高了气泵模块运行的可靠性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明气体传感器模块的结构示意图。
图3是本发明气泵模块与气体传感器模块的一种连接结构示意图。
图4是本发明气泵模块与气体传感器模块的另一种连接结构示意图。
图5是本发明气泵模块与气体传感器模块的另一种连接结构示意图。
图中：1-壳体；2-进气口；3-出气口；4-电路板；5-气体传感器；6-数据接口连接器；7-密封圈；8-凸起；9-气隙；10-气泵；11-第一进气管；12-第一出气管；13-第二进气管；14-第二出气管；15-第三进气管；16-支气管；17-第三出气管。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。
如图1和图2所示，本实施例提供一种动态环境的气体采集监测系统，包括微控制器、气体传感器模块、核辐射传感器模块、气泵模块、无线通信模块、电源模块、存储模块、北斗定位模块、实时时钟模块和报警模块，微控制器采用ST公司生产的STM32L系列低功耗32位单片机作为主控MCU，型号为STM32L151VDT6，封装TQFP-100，最高工作频率32MHz，Flash大小384KB，RAM大小48KB，运行模式功耗230uA/MHz。
所述气体传感器模块用于检测泄漏气体的气体类型和浓度，本发明设有多个气体传感器模块，可以同时检测CO、H2S、SO2、NO、NO2、Cl2、VOC、HCN、NH3、PH3的浓度，核辐射传感器模块用于检测带有γ射线的放射性气体。
气泵模块用于向气体传感器模块传输检测的气体，气泵模块可以采集现场的混合气体，并传输给气体传感器模块。无线通信模块将系统的信息发送给远程终端，无线通信模块采用的型号为E32-TTL-1W，工作频段410～441MHz，工作电压范围3.3～5.2V，最大发射功率约1W，理论传输距离8km，发射电流610mA，最大接收电流20mA，支持休眠和无线唤醒。存储模块采用25LC256型的EEPROM存储器芯片作为系统存储器，可以储存气体传感器模块和核辐射传感器模块的检测数据。
北斗定位模块用于对系统进行定位，北斗定位模块采用HOE-BDGPSH型北斗GPS双模定位模块，工作电压范围5～12V，工作电流37mA，定位精度为2.5米CEP。实时时钟模块采用外置RTC芯片RX8052SA作为系统时钟。报警模块采用RAE现有的声光报警器，当气体传感器模块和核辐射传感器模块的检测数据达到一定值后微控制器控制报警模块发出警报。气体传感器模块、核辐射传感器模块、无线通信模块和北斗定位模块分别通过USART串口与微控制器相连，存储模块通过SPI接口与微控制器相连，实时时钟模块通过IIC总线与微控制器相连，报警模块通过GPIO引脚与微控制器相连。
所述微控制器分别与气体传感器模块、核辐射传感器模块、气泵模块、无线通信模块、存储模块、北斗定位模块、实时时钟模块和报警模块电连接，所述电源模块分别与微控制器、气体传感器模块、核辐射传感器模块、气泵模块、无线通信模块、存储模块、北斗定位模块、实时时钟模块和报警模块电连接。
报警模块具有自检功能，系统启动时，自检程序会启动报警模块并发出提示，询问操作人员当前报警模块是否工作正常，由操作人员判断报警模块的工作状态后做出响应。如果报警模块不正常，系统将发出报警模块故障提示并强制关机。如果报警模块正常，当报警模块工作时，自检程序会连续不断的采集报警模块的工作电流，如果在工作过程中报警模块出现过载或欠载，微控制器立即中断报警模块的运行并发出提示，以通知操作人员报警模块出现故障。
所述电源模块包括电源转换装置，电源转换装置设有多个不同输出电流的接口。电源模块内置电池，电池包括镍氢电池组、备用电池组、充电管理电路和状态输出电路。镍氢电池组规格为7.2V 8000mAh，塑封，满足系统24h连续工作需求。充电管理电路具备快速充电和慢速充电功能，当使用普通充电器充电时，充电管理电路以1000mA的电流为备用电池组充电，同时向系统供电，当使用专用充电器充电时，充电管理电路以2000mA的电流为备用电池组充电，同时向系统供电，状态输出电路将镍氢电池组或备用电池组的电压输出至电源转换装置。电源转换装置使用升降压DCDC芯片，具有多个不同输出电流的接口，一个接口的最大输出电流1A，为无线通信模块供电；一个接口的最大输出电流375mA，为气泵模块供电；其他接口的最大输出电流375mA，分别为微控制器、气体传感器模块、核辐射传感器模块、存储模块、北斗定位模块、实时时钟模块和报警模块供电。
所述微控制器设有第一ADC模块，微控制器通过第一ADC模块读取电源转换装置的输出电流，电源转换装置通过GPIO引脚与微控制器相连。
所述还包括显示模块和输入模块，显示模块和输入模块分别与微控制器电连接。显示模块采用深圳市鑫洪泰电子科技有限公司生产的4.3寸COG产品HTG320240B作为系统显示器，微控制器输出PWM信号，经过FSMC总线接口直接驱动显示模块，显示模块用于显示气体传感器模块检测的气体类型和浓度。输入模块采用不锈钢的键盘，键盘上设置3个按键，分别为上、下和OK键，键盘通过GPIO引脚与微控制器相连。
所述气体传感器模块包括壳体1，所述壳体1两侧相对设置有进气口2和出气口3，壳体1内设有电路板4，电路板4上设有气体传感器5和数据接口连接器6，所述气体传感器5与壳体1内壁之间设有密封圈7；所述壳体1内壁设有凸起8，所述凸起8与气体传感器5之间留有气隙9，所述气隙9两端分别与进气口2和出气口3连通。壳体1一般采用聚四氟乙烯加工而成，可以避免吸附性气体附着于壳体1造成测量误差。数据接口连接器6采用统一的数据接口，其物理层采用扩展式USART总线，接口软件协议增加地址寻址功能，实现可扩展性，同时支持即插即用和离线标定，方便气体传感器模块的扩展。
气体传感器模块具有自检功能，系统启动时，微控制器内嵌的校准算法会对所有气体传感器模块进行传感器寿命、当前信号状态和上次校准时间的检测，若发现传感器寿命已超过预设的时间，或当前信号超出了正常范围，或距离上一次校准的时间超过了预设的值，系统会发出提示，以提醒操作人员应该注意出现的问题。
所述气泵模块包括气泵10，气泵10连接有气泵管线，气泵管线上连接有多个气体传感器模块。气泵10可以采集现场的混合气体，通过气泵管线将混合气体传输给气体传感器模块进行气体检测。气泵模块具有自检功能，系统启动时，微控制器会启动气泵10并发出提示，询问操作人员当前气泵10是否工作正常，由操作人员判断气泵10的工作状态后做出响应。如果气泵10不正常，系统将发出气泵10故障提示并强制关机。
气泵10选用德国THOMAS公司的无刷电机微型隔膜泵，微控制器的PWM信号驱动电路与气泵10建立连接，所述微控制器设有第二ADC模块，微控制器通过第二ADC模块读取气泵10的工作电流，进行数据采样，根据采样数据判断气泵10是处于正常或者短路的某个状态，可以及时发现气泵10的故障情况并发出提示，提高气泵模块运行的可靠性。
如图3所示，一个实施例中，所述气泵管线包括第一进气管11和第一出气管12，所述第一进气管11与气泵10相连，第一进气管11分别与多个气体传感器模块的进气端相连，且多个气体传感器模块的出气端分别与第一出气管12相连。该方式适合现场检测的气体为非粘性气体如CO和NO，采用将气泵10与第一进气管11相连的方式进行采集气体，检测的结果准确。
如图4所示，一个实施例中，所述气泵管线包括第二进气管13和第二出气管14，所述第二进气管13分别与多个气体传感器模块的进气端相连，且多个气体传感器模块的出气端分别与第二出气管14相连，第二出气管14与气泵10相连。该方式适合现场检测的气体为粘性气体如H2S和SO2，采用将气泵10与第二进气管13相连的方式进行采集气体，避免了粘性气体吸附在第二进气管13上影响检测结果。
如图5所示，一个实施例中，所述气泵管线包括第三进气管15、支气管16和第三出气管17，所述第三进气管15与一部分气体传感器模块的进气端相连，该部分气体传感器模块的出气端与支气管16的进气端相连。支气管16与气泵10相连，支气管16的出气端与另一部分气体传感器模块的进气端相连，且该部分气体传感器模块的出气端与第三出气管17相连。粘性气体的气体传感器模块与第三进气管15相连，非粘性气体的气体传感器模块与第三出气管17相连，保证各个气体传感器模块检测的数据准确可靠。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (10)
1.一种动态环境的气体采集监测系统，其特征在于：包括微控制器、气体传感器模块、核辐射传感器模块、气泵模块、无线通信模块、电源模块、存储模块、北斗定位模块、实时时钟模块和报警模块，所述气体传感器模块用于检测泄漏气体的气体类型和浓度，核辐射传感器模块用于检测带有γ射线的放射性气体，气泵模块用于向气体传感器模块传输检测的气体，无线通信模块将系统的信息发送给远程终端，存储模块用于储存系统的数据，北斗定位模块用于对系统进行定位；所述微控制器分别与气体传感器模块、核辐射传感器模块、气泵模块、无线通信模块、存储模块、北斗定位模块、实时时钟模块和报警模块电连接，所述电源模块分别与微控制器、气体传感器模块、核辐射传感器模块、气泵模块、无线通信模块、存储模块、北斗定位模块、实时时钟模块和报警模块电连接。
2.根据权利要求1所述的一种动态环境的气体采集监测系统，其特征在于：所述气体传感器模块包括壳体(1)，所述壳体(1)两侧相对设置有进气口(2)和出气口(3)，壳体(1)内设有电路板(4)，电路板(4)上设有气体传感器(5)和数据接口连接器(6)，所述气体传感器(5)与壳体(1)内壁之间设有密封圈(7)；所述壳体(1)内壁设有凸起(8)，所述凸起(8)与气体传感器(5)之间留有气隙(9)，所述气隙(9)两端分别与进气口(2)和出气口(3)连通。
3.根据权利要求1所述的一种动态环境的气体采集监测系统，其特征在于：所述气泵模块包括气泵(10)，气泵(10)连接有气泵管线，气泵管线上连接有多个气体传感器模块。
4.根据权利要求3所述的一种动态环境的气体采集监测系统，其特征在于：所述气泵管线包括第一进气管(11)和第一出气管(12)，所述第一进气管(11)与气泵(10)相连，第一进气管(11)分别与多个气体传感器模块的进气端相连，且多个气体传感器模块的出气端分别与第一出气管(12)相连。
5.根据权利要求3所述的一种动态环境的气体采集监测系统，其特征在于：所述气泵管线包括第二进气管(13)和第二出气管(14)，所述第二进气管(13)分别与多个气体传感器模块的进气端相连，且多个气体传感器模块的出气端分别与第二出气管(14)相连，第二出气管(14)与气泵(10)相连。
6.根据权利要求3所述的一种动态环境的气体采集监测系统，其特征在于：所述气泵管线包括第三进气管(15)、支气管(16)和第三出气管(17)，所述第三进气管(15)与一部分气体传感器模块的进气端相连，该部分气体传感器模块的出气端与支气管(16)的进气端相连；支气管(16)与气泵(10)相连，支气管(16)的出气端与另一部分气体传感器模块的进气端相连，且该部分气体传感器模块的出气端与第三出气管(17)相连。
7.根据权利要求1所述的一种动态环境的气体采集监测系统，其特征在于：所述电源模块包括电源转换装置，电源转换装置设有多个不同输出电流的接口。
8.根据权利要求7所述的一种动态环境的气体采集监测系统，其特征在于：所述微控制器设有第一ADC模块，微控制器通过第一ADC模块读取电源转换装置的输出电流。
9.根据权利要求3所述的一种动态环境的气体采集监测系统，其特征在于：所述微控制器设有第二ADC模块，微控制器通过第二ADC模块读取气泵(10)的工作电流。
10.根据权利要求1所述的一种动态环境的气体采集监测系统，其特征在于：还包括显示模块和输入模块，所述显示模块和输入模块分别与微控制器电连接。
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Application publication date: 20181102 |