CN109342689A - 一种基于无线传感器的碳氢气体监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体监测技术领域，公开了一种基于无线传感器的碳氢气体监测系统及方法，设置有Zigbee模块，Zigbee模块通过数据线与碳氢传感器和温度湿度传感器；Zigbee模块通过数据线传感器备用接口和调试接口连接，传感器备用接口可连接备用传感器，调试接口可连接调试设备。本发明以扩散式代替泵吸式，解决监测滞后和结果不准确的问题；采用扩散式设计省去气泵和阀门等机械部件，解决成本高和故障率高的问题；通信方式以无线通信代替有线通信，解决通信线缆带来的设备安装困难；通过设置有电池盒，电池盒内部卡接固定有电池，供电方式以大容量电池代替市电供电，解决供电电线引起的安装问题。

Description

一种基于无线传感器的碳氢气体监测系统及方法

技术领域

本发明属于气体监测技术领域，尤其涉及一种基于无线传感器的碳氢气体监测系统及方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：碳氢气体特别是石油与天然气工程中油气混合物引起的事故，给国家经济建设和人民生活带来巨大影响。实现碳氢气体实时准确监测，对经济社会有及其重要的作用。现有技术一：一种非分光式红外(NDIR)碳氢气体分析器，非分光式红外(NDIR)碳氢气体分析器的光学系统由光源部件、气室和检测器三部分组成；电气系统由前置放大器、主放大器、微处理控制电路、温控和供电五部份组成；气路系统由稳压阀、过滤器、抽气泵、电磁三通阀等部分组成。光源部件将连续的红外辐射调制成6.25Hz的断续辐射，再交替地通过气室的分析边和参比边(单管隔半气室，参比边密封着不吸收红外线的高纯氮气)，最后被检测器(该仪器采用的检测器是胆酸锂热释电检测器)吸收。当分析室通入高纯氮气时，则检测器交替接收的参比边和分析边红外辐射能量相等，仪器的输出信号为零；当分析室通入待测气体时，检测器所接收的参比信号不变，而分析信号由于分析室中待测气体的吸收而发生变化，于是便产生一个与待测气体浓度成比例的输出信号。该微小的电信号通过前置放大、主放大、选频、相敏检波和滤波等多个环节变成与待测气体浓度成比例的直流电信号。光学部件输出信号传输给单片机控制器，经AD转换后，蓝屏显示仪器读数。用户菜单可设定校准、报警、数据等功能。这种分析仪结构复杂，环境对于光学器件影响大，光学器件、泵、阀和信号处理系统的硬件软件设计调试时间长，生产成本高，测量时设备内部的泵将被测量气体吸入分析气室，因此测量滞后的时间受制于吸气管道的长度。另外，抽气的过程会被测量气体流场、浓度场产生一定的干扰，导致即使测量结果不能准确代表被测量位置的浓度。现有技术二：一种便携式可燃气体检测仪，系统由传感器电路、传感器可控加热回路、温度湿度检测电路、传感器信号处理电路、A/D 转换电路、A/D转换参考电源、气体泵单元、单片机及其外围电路、液晶显示电路、键盘电路、声光报警电源、RS-232接口电路及PC机组成。系统的工作流程为由单片机控制空气泵将待测气体泵入传感器所在的腔体，非电信号的待测气体由传感器转化为模拟电信号后由A/D转换单元将该模拟信号进行数模转换，转换后的数字信号送至单片机，单片机将检测之后的数据进行处理，根据温度和湿度传感器得出的系统所处环境的温度和湿度，对传感器测得数据进行补偿和修订，如果达到报警值则通过声光报警单元进行报警，单片机可将采集到的数据通过RS-232接口电路送到PC机进行数据处理。操作人员可以通过系统中的键盘来动态设定报警限值，并可通过液晶显示芯片读出检测结果。这种检测仪操作复杂，功耗大，机械部件成本较高，测量时气泵通过气管抽气进入传感器，造成监测滞后，抽气时对被测量气体流场造成干扰，导致测量结果不能准确反映被监测点数据。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有的碳氢气体监测装置测量方式采用泵吸式，导致监测滞后和结果不准确的问题。

(2)现有的碳氢气体监测装置通信方式采用有线通信，导致通信线缆带来的设备安装困难。

(3)现有的碳氢气体监测装置供电方式采用市电供电，导致供电电线引起的安装问题。

(4)现有的碳氢气体监测装置采用气泵和阀门等机械部件，导致成本高和故障率高的问题。

解决上述技术问题的难度和意义：

1、解决了在测试时间上监测滞后和在空间上测试不准等问题。采用泵吸式将待测气体从待测点泵吸至系统测量腔室，在测试时间上有监测滞后，在空间上未能确定采样范围，测试结果可能与待测点此时的碳氢浓度不一致而导致测试结果不准确；本发明能实现实时监测、实时传输，无监测滞后和测试不同步等问题。

2、本发明特别适用于各类油料储运场所(尤其洞库)，此类场所大多是受限空间，油气易于聚集而形成爆炸性混合气体，采用有线通信必然导致通信线缆等设备设施的安装困难，因为此类场所必须满足防爆要求；本发明采用无线传输，无需通信线缆，能满足防爆等特殊要求；

3、现有技术需要市电供电，油料储运场所对电器防爆有很高的要求，导致现有技术使用上有众多限制条件。本发明采用低功耗技术，系统耗电量低，大大简化了供电单元，附属设备少，系统成本低；

4、现有的碳氢气体监测装置采用气泵和阀门等机械部件，系统组成复杂，导致成本高，同时系统组件多，单一元件故障也会导致系统故障，故障率偏高。本发明采用Zigbee模块实时采集分析，实时无线传输，系统结构紧凑，组件单元少，故障率低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于无线传感器的碳氢气体监测系统及方法。

本发明是这样实现的，一种基于无线传感器的碳氢气体监测系统及方法设置有Zigbee模块，Zigbee模块通过数据线与碳氢传感器和温度湿度传感器； Zigbee模块通过数据线传感器备用接口和调试接口连接，传感器备用接口可连接备用传感器，调试接口可连接调试设备；

Zigbee模块通过数据线与碳氢传感器和温度湿度传感器，测量方式以扩散式(扩散式是指在监测碳氢气体浓度时，通过碳氢气体自动扩散到测试设备的测量分析单元，从而完成碳氢气体浓度在线测试分析，然后输出测试结果的测试方法)代替泵吸式(泵吸式是一种采用泵抽吸的方式将待测点的气体混合物抽吸至测试仪器的分析单元，然后分析输出结果的测试方法)，解决监测滞后和结果不准确的问题。本发明采用扩散式设计省去气泵和阀门等机械部件，解决成本高和故障率高的问题。此外，本发明可以通过不同的安装装置，安装于需要监测的区域，如使用扎带与柱状物进行固定，使用双面胶粘贴于某一物体上，安装简便。本发明不仅可单独进行气体检测，也可与许多相同的装置组成监测网络对气体进行监测。

进一步，所述Zigbee模块包括：贴片天线、晶振、CC2530无线微控制器，贴片天线、晶振分别通过该模块PCB预设的走线与CC2530无线微控制器连接，同时该模块通过大间距2.0mm邮票孔贴片焊盘，与外部元器件的连接。

通信方式以无线通信代替有线通信，解决通信线缆带来的监测现场设备安装困难。

进一步，所述Zigbee模块焊接插针连接器后，即可通过此连接器与本发明 PCB母板的插座连接器完成与母板的连接。接着通过母板设计的走线完成 Zigbee模块与线性稳压器的连接，线性稳压器通过母板走线与电池盒连接，电池盒内部卡接固定有电池；

通过设置有电池盒，电池盒内部卡接固定有电池，供电方式以大容量电池代替市电供电，解决供电电线引起的安装问题。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于无线传感器的碳氢气体监测系统的基于无线传感器的碳氢气体监测方法，所述基于无线传感器的碳氢气体监测方法包括：碳氢传感器在检测到碳氢气体时会输出随气体浓度变化的电压信号，电压信号输出至Zigbee模块的CC2530无线微控制器，经其内部的12 位ADC转换为数字量；温度湿度传感器直接输出数字量，将测量环境气体得到的温度和湿度数字量传输至；

在CC2530无线微控制器内，依据碳氢传感器的灵敏度特性曲线(图3)，将碳氢传感器的电压信号换算成为碳氢浓度，并依据温度湿度传感器的温度、湿度特性曲线(图4)修正该浓度值；修正后的碳氢浓度值和环境温度、湿度数据通过CC2530无线微控制器的无线模块发送出去。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：根据图3中传感器的响应特性曲线将查表得到的碳氢浓度用工作环境中的温度和湿度进行修正，最终得到准确的碳氢浓度值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于无线传感器的碳氢气体监测系统结构示意图；

图中：1、电池盒；2、线性稳压器；3、Zigbee模块；4、传感器备用接口； 5、DC/DC升压器；6、碳氢传感器；7、温度湿度传感器；8、调试接口；9、贴片天线；10、晶振；11、CC2530无线微控制器。

图2是本发明实施例提供的基于无线传感器的碳氢气体监测方法的信号处理过程示意图。

图3是本发明实施例提供的传感器对几种气体的敏感性曲线(温度：20C, 湿度：65％RH,氧气浓度：21％)示意图。

图4是本发明实施例提供的传感器对温度和湿度的敏感性曲线示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于无线传感器的碳氢气体监测系统包括：电池盒1、线性稳压器2、Zigbee模块3、传感器备用接口4、DC/DC升压器5、碳氢传感器6、温度湿度传感器7、调试接口8、贴片天线9、晶振10、 CC2530无线微控制器11。

电池盒1通过母板走线与线性稳压器2连接，电池盒1内部卡接固定有电池，线性稳压器2通过母板走线和连接器与Zigbee模块3连接，电池盒1通过母板走线与DC/DC升压器5连接，DC/DC升压器5通过母板走线与碳氢传感器6和温度湿度传感器7连接，碳氢传感器6、温度湿度传感器7、传感器备用接口4、调试接口8通过母板走线和连接器与Zigbee模块3连接，Zigbee模块 3通过外部无线通信与外部设备连接，传感器备用接口4可连接备用传感器，调试接口8可连接调试设备，Zigbee模块3包括贴片天线9、晶振10、CC2530 无线微控制器11，贴片天线9、晶振10通过母板走线与CC2530无线微控制器 11连接。

下面结合实施例对本发明的结构作进一步的描述。

实施例1

Zigbee模块3采用Zigbee通信技术，Zigbee是专为无线传感器网络设计的大容量、低速率、低功耗的无线通信技术，理论上在一个MESH网络中最大可容纳65000个节点，目前已在智能家居系统、无线数据透明传输系统、工业无线传感器网络系统中得到广泛的应用。Zigbee模块3中的贴片天线9可以用鞭状天线替换，性能更好但是功耗较大。所述CC2530无线微控制器11为TI公司的用于Zigbee等应用的无线微控制器解决方案，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，其微控制器是高性能、低功耗，具有代码预读取功能的8051微控制器内核，外围设备包含8路输入并可配置的12位ADC。

实施例2

电池盒1安装一节电池或并联安装二节电池，可采用两节三洋2600mAh的 18650电池供电，实际测试中一次充电后可连续工作18小时。闭合电源开关后，电池的输出电压分别经线性稳压器2和调节至满足Zigbee模块3需求的电压，经DC/DC升压器5调节至碳氢传感器6和温度湿度传感器7需求的电压。所述线性稳压器2、DC/DC升压器5具体型号可选，如线性稳压器选2选用ADI的 ADP1713，DC/DC升压器5选用RICHTEK的RT9266。

实施例3

碳氢传感器6经预热进入工作状态后，在检测到碳氢气体时会输出随气体浓度变化的电压信号，电压信号输出至Zigbee模块3的CC2530无线微控制器 11，经其内部的12位ADC转换为数字量。同时，温度湿度传感器7将测量环境气体得到的温度和湿度数据传输至CC2530无线微控制器11。此时，依据碳氢传感器的灵敏度特性曲线，将碳氢传感器6的电压信号换算成为碳氢浓度，并依据温度湿度传感器7的温度、湿度特性曲线修正该浓度值。最后，修正后的碳氢浓度值和环境温度、湿度数据通过CC2530无线微控制器11的无线模块发送出去，接收节点(或中继节点)处的通用的Zigbee通信装置将接收数据 (或继续传输至下一中继节点)并与上位机通信完成数据的保存与处理工作，上位机处加入LCD显示模块可以方便使用人员掌握装置的工作状况和当前数据。

实施例4

碳氢传感器6必须为催化燃烧式传感器，碳氢传感器6、温度湿度传感器 7型号可选。本实施例中，碳氢传感器6可选用郑州炜盛科技的可燃气体传感器MQ-6，温度湿度传感器7选用广州奥松电子的DHT11。MQ-6为催化燃烧式的气体传感器，主要用于液化石油气、液化天然气的检测，对异丁烷、丙烷具有较高的敏感性，而对酒精、烟雾的敏感度较低，其量程为200-10000ppm。 DHT11是含有校准数字信号输出的温度湿度复合传感器，有较高的可靠性和长期稳定性，测量范围为20-50％RH和0-50℃，精度分别为±5％RH和±2℃。

实施例5

传感器备用接口4，调试接口8为通用接插件。

本发明的工作原理为：

电池盒1安装一节电池或并联安装二节电池，电池的输出电压分别经线性稳压器2和调节至满足Zigbee模块3需求的电压，经DC/DC升压器5调节至碳氢传感器6和温度湿度传感器7需求的电压，碳氢传感器6经预热进入工作状态后，在检测到碳氢气体时会输出随气体浓度变化的电压信号，电压信号输出至Zigbee模块3的CC2530无线微控制器11，经其内部的12位ADC转换为数字量。同时，温度湿度传感器7将测量环境气体得到的温度和湿度数据传输至CC2530无线微控制器33。此时，依据碳氢传感器的灵敏度特性曲线，将碳氢传感器6的电压信号换算成为碳氢浓度，并依据温度湿度传感器7的温度、湿度特性曲线修正该浓度值。最后，修正后的碳氢浓度值和环境温度、湿度数据通过CC2530无线微控制器11的无线通信功能发送出去，接收节点(或中继节点)处的通用的Zigbee通信装置将接收数据(或继续传输至下一中继节点) 并与上位机通信完成数据的保存与处理工作，上位机处加入LCD显示模块可以方便使用人员掌握装置的工作状况和当前数据，传感器备用接口4可连接备用传感器，调试接口8可连接调试设备。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于无线传感器的碳氢气体监测系统，其特征在于，所述基于无线传感器的碳氢气体监测系统设置有：

Zigbee模块；

Zigbee模块通过数据线与碳氢传感器和温度湿度传感器；Zigbee模块通过数据线传感器备用接口和调试接口连接；

传感器备用接口可连接备用传感器，调试接口可连接调试设备。

2.如权利要求1所述的基于无线传感器的碳氢气体监测系统，其特征在于，所述Zigbee模块包括：贴片天线、晶振、CC2530无线微控制器，贴片天线、晶振通过数据线与CC2530无线微控制器连接。

3.如权利要求1所述的基于无线传感器的碳氢气体监测系统，其特征在于，所述Zigbee模块通过导线与线性稳压器连接，线性稳压器通过导线与电池盒连接，电池盒内部卡接固定有电池。

4.一种实施权利要求1所述基于无线传感器的碳氢气体监测系统的基于无线传感器的碳氢气体监测方法，其特征在于，所述基于无线传感器的碳氢气体监测方法包括：电池的输出电压分别经线性稳压器和调节至满足Zigbee模块需求的电压，经DC/DC升压器调节至碳氢传感器和温度湿度传感器需求的电压，碳氢传感器经预热进入工作状态后；

在检测到碳氢气体时会输出随气体浓度变化的电压信号，电压信号输出至Zigbee模块的CC2530无线微控制器，经其内部的12位ADC转换为数字量；温度湿度传感器将测量环境气体得到的温度和湿度数据传输至CC2530无线微控制器；

依据碳氢传感器的灵敏度特性曲线，将碳氢传感器的电压信号换算成为碳氢浓度，并依据温度湿度传感器的温度、湿度特性曲线修正该浓度值；修正后的碳氢浓度值和环境温度、湿度数据通过CC2530无线微控制器的无线模块发送出去，接收节点或中继节点处的通用的Zigbee通信装置将接收数据或继续传输至下一中继节点并与上位机通信完成数据的保存与处理工作，上位机处加入LCD显示模块方便使用人员掌握装置的工作状况和当前数据，传感器备用接口可连接备用传感器，调试接口可连接调试设备。