CN109946354B - 空气甲醛分布式云监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空气甲醛分布式云监测系统及方法，包括若干个甲醛浓度测量模块、数据传输模块及云平台模块，甲醛浓度测量模块用于测量空气中甲醛的浓度数据并通过数据传输模块将数据打包后传输至云平台模块，云平台模块接收数据包并进行解析，并对解析后的数据进行显示及存储；甲醛浓度测量模块包括微处理器、甲醛浓度测量电路、微弱电流放大电路及模数转换电路。本发明通过设置有若干个甲醛浓度测量模块，实现了待测区域多个甲醛浓度的实时监测，解决了目前甲醛测量系统测量节点少、有效监测距离短的问题。提出的基于云平台对甲醛数据进行处理的方法，实现了大数据量的实时分析和存储，解决了目前甲醛监测系统中数据处理能力弱的关键问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气甲醛分布式云监测系统及方法。
背景技术
甲醛是第一类致癌物质，室内甲醛气体的超标将会对人体造成长远的影响，室内甲醛含量的测量已经成为环境测量的重要组成部分。早期的甲醛浓度监测，主要使用化学和物理方法。孔继川等人发现在酸性介质溶液中甲醛可以抑制溴酸钾并且可以氧化碱性品红溶液使其褪色，建立了液体甲醛监测的阻抑动力学光度法。姚丽君等人利用由弹性石英玻璃做成的毛细管柱，将丙酮为内标物，直接对甲醛进行测量，并利用色谱分析法进行分析。这些方法实现了甲醛分子有效测量，但是就测量的便捷性、灵活性和广泛性上来看，存在较大的弊端。
随着现代电子技术和传感器技术的发展，越来越多的分析仪器用在了甲醛浓度监测中。但该类仪器往往用于科研和计量等场合，测量得到的甲醛参数数据只保存在终端监测机中，缺少本地信息的处理与储存，不利于大范围的甲醛浓度的动态实时监测。而利用WiFi技术对甲醛进行监测，各个监测节点使用相同的网络数据传输协议，结构简单，使用方便。但该类方法测量精度较差，通信距离较短，穿透性较差，限制了系统的使用场合和监测的覆盖范围。为了解决了多节点甲醛监测方式繁琐，专业性要求高等问题，将Zigbee利用到甲醛监测系统中。但是在实际的操作中，Zigbee技术的透过性较差，数据传输距离较近，不利于远距离大范围监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决上述现有问题的空气甲醛分布式云监测系统及方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种空气甲醛分布式云监测系统，所述系统包括若干个甲醛浓度测量模块、数据传输模块及云平台模块，所述甲醛浓度测量模块用于测量空气中甲醛的浓度数据并通过所述数据传输模块将所述浓度数据打包后传输至所述云平台模块，所述云平台模块接收所述数据包并对所述数据包进行解析，并对解析后的数据进行显示及存储；
所述甲醛浓度测量模块包括微处理器、甲醛浓度测量电路、微弱电流放大电路及模数转换电路，所述甲醛浓度测量电路中产生的电流信号经所述微弱电流放大电路放大后将放大后的电流信号传输至所述模数转换电路，所述模数转换电路将放大后的电流信号转换为数字信号后将所述数字信号传输至所述微处理器，所述微处理器接收所述数字信号并将所述数字信号传输至所述数据传输模块。
进一步地，所述甲醛浓度测量电路为电化学甲醛传感器，所述电化学甲醛传感器探测到空气中的甲醛浓度后将所述甲醛浓度转换为相应的电流信号。
进一步地，所述甲醛浓度测量模块还包括电源电路及与所述电源电路连接以将所述电源电路的电压值作降压处理的降压电路。
进一步地，所述降压电路包括第一级降压电路及第二级降压电路，所述第一级降压电路降压后以输出第一种降压值，所述第二级降压电路包括降压电路一及降压电路二，所述降压电路一将所述第一种降压值降压以输出第二种降压值，所述降压电路二将所述第一种降压值降压以输出第三种降压值。
进一步地，所述第一种降压值为5.5V，所述第二种降压值为5V，所述第三种降压值为3.3V。
进一步地，所述云平台包括用于与所述数据传输模块信号连接的网络通讯模块及与所述网络通讯模块连接的协议处理模块。
本发明还提供了一种空气甲醛分布式云监测方法，所述方法包括如下步骤：
云平台模块通过数据传输模块向甲醛浓度测量模块发送请求查询甲醛浓度的指令；
所述甲醛浓度测量模块接收请求指令并对所述请求指令进行解析，并根据解析后的请求指令对空气中的甲醛浓度进行测量，并将测量的甲醛浓度生成对应的数据指令发送至云平台模块；
所述甲醛浓度测量模块向所述云平台模块发送数据指令时加入校验码CRC。
进一步地，所述方法还包括：
所述微处理器本身有一个子机地址，所述请求指令中的地址码与所述子机地址的地址码相同时，所述微处理器继续解析所述请求指令，并分析功能码；
当所述功能码为03时，所述微处理器执行读取数据的操作，发送返回指令至所述云平台模块的时候同时自动生成一个校验码CRC。
进一步地，所述方法还包括：
云平台模块通过数据传输模块向甲醛浓度测量模块发送请求查询甲醛浓度的指令；
所述甲醛测量浓度模块并通过微处理器中的中断接收程序接收请求指令将标志寄存器的允许位置1中断，将接收到的所述请求指令发送至接收缓存区，定时器初始化后开始计时；
所述定时器预设有定时值域，若所述接收缓存区在所述定时值域内接收到所述请求指令，则确定所述微处理器接收到所述请求指令。
本发明的有益效果在于：本发明通过设置有若干个甲醛浓度测量模块，实现了待测区域多个甲醛浓度的实时监测，解决了目前甲醛测量系统测量节点少、有效监测距离短的问题；提出的基于云平台对甲醛数据进行处理的方法，实现了大数据量的实时分析和存储，解决了目前甲醛监测系统中数据处理能力弱的关键问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明的空气甲醛分布式云监测系统结构示意图。
图2为第一级降压电路的电路原理图。
图3为第二级降压电路的电路原理图。
图4为微弱电流放大电路的电路原理图。
图5为模数转换电路的电路原理图。
图6为本发明的空气甲醛分布式云监测方法的流程图。
图7为微处理器接收云平台模块发送的指令的流程图。
图8为微处理器向云平台模块发送指令的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参见图1至图5，本发明的一较佳实施例中的空气甲醛分布式云监测系统，所述系统包括若干个甲醛浓度测量模块1、数据传输模块2及云平台模块3，所述甲醛浓度测量模块1用于测量空气中甲醛的浓度数据并通过所述数据传输模块2将所述浓度数据打包后传输至所述云平台模块3，所述云平台模块3接收所述数据包并对所述数据包进行解析，并对解析后的数据进行显示及存储。
所述甲醛浓度测量模块1还包括电源电路11及与所述电源电路11连接以将所述电源电路11的电压值作降压处理的降压电路12。所述降压电路12包括第一级降压电路及第二级降压电路，所述第一级降压电路降压后以输出第一种降压值，所述第二级降压电路包括降压电路一及降压电路二，所述降压电路一将所述第一种降压值降压以输出第二种降压值，所述降压电路二将所述第一种降压值降压以输出第三种降压值。在本实施例中，所述电源电路11为12V电源，所述第一种降压值为5.5V，所述第二种降压值为5V，所述第三种降压值为3.3V。
所述甲醛浓度测量模块1还包括微处理器16、甲醛浓度测量电路13、微弱电流放大电路14及模数转换电路15，所述甲醛浓度测量电路13中产生的电流信号经所述微弱电流放大电路14放大后将放大后的电流信号传输至所述模数转换电路15，所述模数转换电路15将放大后的电流信号转换为数字信号后将所述数字信号传输至所述微处理器16，所述微处理器16接收所述数字信号并将所述数字信号传输至所述数据传输模块2。在本实施例中，所述微处理器16为MCU，所述甲醛浓度测量电路13为电化学甲醛传感器，所述电化学甲醛传感器13探测到空气中的甲醛浓度后将所述甲醛浓度转换为相应的电流信号，所述微弱电流放大电路14为nA级微弱电流放大电路14。
所述第一级降压电路12以LM2596芯片为核心，由12V电源给芯片LM2596供电，输出电容CVCC和C1_8除了起到输出滤波作用外，还提高稳压环路稳定性，R_F1、R_F2和R_F3是反馈电阻，用来调节输出电压，2引脚为输出，其输出电压表达式为：
VOUT＝VREF×(1+(R_F2+R_F3)/R_F1)
式中，VREF为内部参考基准源，VREF＝1.23V。设置输出电压为5.5V。
第二级降压电路12，以SPX3819芯片为核心。其中降压电路12一把5.5V电压作为输入，并降至5V电压供给甲醛浓度测量模块1的nA级微弱电流放大电路14。图中SPX3819芯片的1脚是该降压电路12的输入引脚，2脚接地，3脚是使能端，4脚连接的电阻R5VOut_1和电阻R5VOut_2作用是调节5脚输出电压为5V，去耦电容C5.0和C3_1主要是起滤波作用，使电压稳定输出，电感LVCC2为防止电流突变对芯片的电源和地造成干扰。第二级降压电路12可以提供高稳定性的5V电压，从而保证微弱电流放大电路14的信号稳定性。所述降压电路12二原理同上，在此不做赘述。
微弱电流放大电路14用于放大由电化学甲醛传感器产生的nA级微弱电流，并提供给模数转换电路15。其中，P1连接甲醛传感器，Port(+)和Port(-)是输出端口。由于电化学甲醛传感器在待机状态下会产生点位漂移现象，直接对传感器造成非外界环境引起的自身损耗，影响最后测量到的甲醛浓度等数据的准确度。所以为了防止这种现象的产生，在该电路的设计中使用了场效应管与电化学甲醛传感器P1的Port(+)端和Port(-)端短接，其中，Q1为型号J177的P型场效应管。电流经过基于AD8628芯片的微弱电流放大电路14，将微弱电流信号放大为一个对应的电压信号。R10是电位器，通过改变R10可以改变该电路的放大倍数，用于数据的校准。
设计以MCP3421芯片作为核心的高精度18位模数转换电路15。将微弱电流放大电路14输出的模拟电压信号转换数字信号。Vin+和Vin-为差分信号输入引脚，其中输入电压经R_AD_IN1限流进入Vin+引脚，Vin-引脚接地。VSS为接地引脚，VDD为正电源引脚。SCL为IIC接口的串行时钟输入引脚，SDA为IIC接口双向串行数据引脚，由于SCL和SDA引脚均为漏级开路N沟道驱动器，因此SCL和SDA引脚与VCC线间分别加上拉电阻R_AD1和R_AD2，保证IIC通信的稳定。
模数转换电路15将微弱电流放大电路14所输出的模拟信号转换为数字信号，微处理器16MCU进行信号采集、数据处理、协议变送以及数据传输。
在本实施例中，所述数据传输模块2为GPRS-DTU。微处理器16采集模数转换电路15送出的数字信号，对数据处理后，变送为Modbus协议将其发送到GPRS-DTU上，GPRS-DTU再通过移动互联网的GPRS网络将数据发送到云平台的云服务器中，实现数据远程传输、存储及分析。
所述云平台包括用于与所述数据传输模块2信号连接的网络通讯模块31及与所述网络通讯模块31连接的协议处理模块32。首先完成设备的接入，然后云平台模块3通过网络通讯模块31向甲醛浓度测量模块1主动发送读取指令，设备返回数据，由协议处理模块32根据数据点规则完成解析、存储、报警等。最后用户在监控中心、App或微信小程序可以实时获取空气中甲醛的浓度参数。整个通信过程的核心是微处理器16MCU中的Modbus协议变送，包括Modbus协议数据的接收和发送。
再请结合图6至图8，本发明还提供了一种空气甲醛分布式云监测方法，所述方法包括如下步骤：
云平台模块3通过数据传输模块2向甲醛浓度测量模块1发送请求查询甲醛浓度的指令；
所述甲醛浓度测量模块1接收请求指令并对所述请求指令进行解析，并根据解析后的请求指令对空气中的甲醛浓度进行测量，并将测量的甲醛浓度生成对应的数据指令发送至云平台模块3；
所述甲醛浓度测量模块1向所述云平台模块3发送数据指令时加入校验码CRC。
具体的，所述方法还包括：
云平台模块3通过数据传输模块2向甲醛浓度测量模块1发送请求查询甲醛浓度的指令；
所述甲醛测量浓度模块并通过微处理器16中的中断接收程序接收请求指令将标志寄存器的允许位置1中断，将接收到的所述请求指令发送至接收缓存区，定时器初始化后开始计时；
所述定时器预设有定时值域，若所述接收缓存区在所述定时值域内接收到所述请求指令，则确定所述微处理器16接收到所述请求指令。
在本实施例中，云平台模块3通过GPRS-DTU向MCU发送一个请求查询甲醛浓度的指令，MCU通过中断接收程序接收这个指令。当接收到这个指令时，就把MCU标志寄存器的允许位置1中断并把接收到的指令送到接收缓存区，接着将定时器初始化后开始计时，定时器定时为3.5T(T为发送一个指令所需的时间)，如果在3.5T时间内接收到了指令，则MCU确定云平台通过GPRS-DTU发送的请求指令，否则定时器重新计时，继续判断指令是否接收完毕。
具体的，所述方法还包括：
所述微处理器16本身有一个子机地址，所述请求指令中的地址码与所述子机地址的地址码相同时，所述微处理器16继续解析所述请求指令，并分析功能码；
当所述功能码为03时，所述微处理器16执行读取数据的操作，发送返回指令至所述云平台模块3的时候同时自动生成一个校验码CRC。
GPRS-DTU先发送一个请求查询甲醛浓度的指令给MCU，MCU得到请求指令后，会对该请求指令进行解析。MCU自身有一个子机地址，当指令中的地址码与自己地址的地址码相同时，MCU会继续解析该请求指令，并分析功能码，当功能码为03时，执行读取数据的操作，再自动生成一个校验码CRC，最后生成一个返回指令通过GPRS-DTU发送数据到云平台模块3的云服务器中。
综上所述：本发明通过设置有若干个甲醛浓度测量模块1，实现了待测区域多个甲醛浓度的实时监测，解决了目前甲醛测量系统测量节点少、有效监测距离短的问题；提出的基于云平台对甲醛数据进行处理的方法，实现了大数据量的实时分析和存储，解决了目前甲醛监测系统中数据处理能力弱的关键问题。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种空气甲醛分布式云监测系统，其特征在于，所述系统包括若干个甲醛浓度测量模块、数据传输模块及云平台模块，所述甲醛浓度测量模块用于测量空气中甲醛的浓度数据并通过所述数据传输模块将所述浓度数据打包后传输至所述云平台模块，所述云平台模块接收所述数据包并对所述数据包进行解析，并对解析后的数据进行显示及存储；
所述甲醛浓度测量模块包括微处理器、甲醛浓度测量电路、微弱电流放大电路及模数转换电路，所述甲醛浓度测量电路中产生的电流信号经所述微弱电流放大电路放大后将放大后的电流信号传输至所述模数转换电路，所述模数转换电路将放大后的电流信号转换为数字信号后将所述数字信号传输至所述微处理器，所述微处理器接收所述数字信号并将所述数字信号传输至所述数据传输模块；
所述微弱电流放大电路包括P型场效应管和AD8628芯片，所述甲醛传感器的Port(+)输出端口和Port(-)输出端口通过P型场效应管短接，电流经过基于AD8628芯片的微弱电流放大电路，将微弱电流信号放大为一个对应的电压信号。
2.如权利要求1所述的空气甲醛分布式云监测系统，其特征在于，所述甲醛浓度测量电路为电化学甲醛传感器，所述电化学甲醛传感器探测到空气中的甲醛浓度后将所述甲醛浓度转换为相应的电流信号。
3.如权利要求1所述的空气甲醛分布式云监测系统，其特征在于，所述甲醛浓度测量模块还包括电源电路及与所述电源电路连接以将所述电源电路的电压值作降压处理的降压电路。
4.如权利要求3所述的空气甲醛分布式云监测系统，其特征在于，所述降压电路包括第一级降压电路及第二级降压电路，所述第一级降压电路降压后以输出第一种降压值，所述第二级降压电路包括降压电路一及降压电路二，所述降压电路一将所述第一种降压值降压以输出第二种降压值，所述降压电路二将所述第一种降压值降压以输出第三种降压值。
5.如权利要求4所述的空气甲醛分布式云监测系统，其特征在于，所述第一种降压值为5.5V，所述第二种降压值为5V，所述第三种降压值为3.3V。
6.如权利要求1所述的空气甲醛分布式云监测系统，其特征在于，所述云平台包括用于与所述数据传输模块信号连接的网络通讯模块及与所述网络通讯模块连接的协议处理模块。
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