CN110161905A - 一种易燃易爆气体的远程监控系统 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种易燃易爆气体的远程监控系统，包括：现场控制端与远程上位机；现场控制端，包括电源模块、无线收发模块、采集通信模块及人机交互模块；现场控制端利用所述无线收发模块通过无线网络与远程上位机进行信息交互；电源模块分别对无线收发模块、采集通信模块及人机交互模块提供电能；电源模块能够支持本安直流电源供电和大容量锂亚电池组两种供电方式；并根据需求的不同能够对这两种不同供电方式进行自动切换。本公开利用GPRS网络实现远距离无线监控，直接与易燃易爆气体进行接触的采集通信模块及电源模块的电路设计中，设置了诸多防静电、防爆结构，能够实现了易燃易爆气体的实时远程监控，提高了监控的安全性。

Description

一种易燃易爆气体的远程监控系统

技术领域

本发明涉及远程监控领域，尤其涉及一种易燃易爆气体的远程监控系统。

背景技术

21世纪是技术成熟并逐步应用的时代，信息技术、光电技术、电子技术等迅猛发展，基于GPRS技术的远程监控技术也相应的发展成熟。远程监控技术设备分为现场采集端和远程监控端两部分，其中以现场端为主。现场采集端将现场采集到的实时信息通过无线传输的方式，以某种特殊的编码形式上传到移动网络云平台；远程监控端通过上位机软件按照特殊的解码方式将云平台上的数据在远程端设备上展示出来。目前，远程监控技术被广泛地应用于军事、生活的各个领域。

然而，国内现有的针对易燃易爆气体的监控还是以有线监控方式为主，无线监控在这方面还处于刚刚起步阶段。有线控制方式存在资源浪费、操作复杂、繁琐、工程量大等缺点，尤其在偏远地区的易燃易爆气体的监控更处于空白阶段。针对有线监控技术以及无线监控技术在易燃易爆气体监控中存在的不足，容易出现电路发生静电放电等多种电路突发故障的情况，电路安全难以保证，因此对易燃易爆气体的顺利监控也难以保证，该难点目前尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种易燃易爆气体的远程监控系统，能够有效解决避免电路中静电放电的情况，本系统还采用了多种供电方式，保证电路在发生突发故障时仍能持续稳定工作。

一种静电防护装置，包括电阻R1和电阻R2，

所述电阻R1和电阻R2一端分别并联一个电感L1和电感L2；所述电阻R1和电阻R2的另一端分别连接系统地；

所述电感L1和电感L2的另一端分别与双向TVS瞬间抑制二极管D1和双向TVS瞬间抑制二极管D2连接；所述电感L1和电感L2的另一端分别与电阻R3和电阻R4连接；

所述双向TVS瞬间抑制二极管D1和双向TVS瞬间抑制二极管D2的另一端共同连接系统地。

一种易燃易爆气体的程监控系统，包括：现场控制端与远程上位机；

现场控制端，包括电源模块、无线收发模块、采集通信模块及人机交互模块；

现场控制端利用所述无线收发模块通过无线网络与远程上位机进行信息交互；

所述电源模块分别对无线收发模块、采集通信模块及人机交互模块提供电能；

所述电源模块能够支持本安直流电源供电和大容量锂亚电池组两种供电方式，并根据需求的不同能够对这两种不同供电方式进行自动切换。

进一步的，所述采集通信模块包括通信模块，

所述通信模块的信号输入及输出接口电路部分均设有如权利要求1所述的静电防护装置；

所述通信模块内设有AD转换器进行模数转换；

所述通信模块内设有以防爆安全器件组成的过压过流防护电路；

所述通信模块通过通讯接口与若干个气体传感器连接。

其具有的效果是：通信模块通过通讯接口能够兼容多种不同类型的传感器，针对现有市场上的传感器基本都能在本易燃易爆气体的远程监控系统中使用，并且本公开能够同时接收4路以上的数据信息，从而实现同时监控几个不同的测试点；本公开中起到静电防护的作用。

进一步的，所述现场控制端，还包括控制模块；

所述采集通信模块，还包括隔离模块；

所述通信模块将采集的若干个气体传感器的信号转换成串口信号，并将串口信号经信号隔离模块上传至控制模块；

所述控制模块将数据整合并处理后由所述无线收发模块发送到远程上位机。

进一步的，所述人机交互模块包括实时显示屏、指示灯及按键；

所述实时显示屏为串口屏，所述实时显示屏能够显示本系统运行状态及各个传感器单元工作状态；

人机交互模块所述设有超低容值轨对轨静电放电保护二极管保护电路。

其具有的效果是：设置超低容值轨对轨静电放电保护二极管保护电路的同时，能够使串口线在高速数据传输的过程中免受静电放电和其他瞬变对信号的影响。

进一步的，所述本安直流电源的电流电压通过过压防护电路后，进入由可控电压变换芯片组成的降压电路将输入的高电压降到能供本系统的若干个传感器使用的第一低电压；

第一低电压再通过低电压调节器将电压降到第二低电压，供本系统中的所述控制模块和无线收发模块使用；

所述降压电路的输入和输出端设有符合防爆要求的元器件。

其具有的效果是：对本安直流电源的电压进行降压，使本安直流电源的电压能够符合传感器适用电压标准。

进一步的，所述降压电路的输入和输出端设有符合防爆要求的元器件。

其具有的效果是：防爆要求的元器件符合本申请中对易燃易爆气体进行监控的需求，对电源电路进行防爆保护。

进一步的，大容量锂亚电池的电池电压经二极管降压后启动本系统控制模块，再由控制模块启动由可控电压变换芯片组成的升压电路，将输入的电压升到所述第一低电压；

所述第一低电压电压供本系统的若干个传感器使用。

其具有的效果是：对大容量锂亚电池的电压进行升压，使大容量锂亚电池的电压符合传感器适用电压标准。

进一步的，优先使用本安直流电源供电方式；本安直流电源同时作为本安直流电源供电电路中的降压电路的使能控制信号。

当本安直流电源输入时，大容量锂亚电池供电电路不启动升压电路，大容量锂亚电池供电电路中升压电路中的输出级设有防反向输出机制使升压电路保持独立性，防止两种供电方式之间相互串扰；

当本安直流电源没有输入时，所述本安直流电源供电电路中的降压电路不工作，所述降压电路的输出级设有单方向输出二极管，从而保证本系统在电池供电不受本安直流电源干扰。

其具有的效果是：实现两种供电方式相互独立，互不干扰。

进一步的，现场控制端支持按键输入和远程控制输入这两种控制指令输入的方式；

所述按键输入，为通过所述人机交互界面进行控制指令输入；

所述远程控制输入，为通过远程上位机的输入单元进行控制指令的输入。

其具有的效果是：两种控制指令输入的方式实现在现场控制端直接对监控系统进行控制，也能够在远程上位机对监控系统进行控制。

进一步的，现场控制端中的气体采集传感器利用无线收发模块通过无线网络与云平台进行信息交互；远程上位机针对云平台中气体采集传感器采集的数据信息进行分析处理。

其具有的效果是：本申请还能够利用云平台对数据进行进一步处理，不仅仅依赖于远程上位机对数据进行处理，而且云平台还能对数据进行存储。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开利用GPRS网络实现远距离无线监控，与现有的以有线监控为主流技术相比能够节省大量的线缆以及大量的人力物力的投入。本公开在直接与易燃易爆气体进行接触的采集通信模块及电源模块的电路设计中，设置了诸多防静电、防爆结构，能够实现了易燃易爆气体的实时远程监控，提高了监控的安全性，对易燃易爆气体监控的集中管理方案提供了可能。

本公开采用的现场端设备结构简单，易于安装，现场段设备集成度高，体积小，对安装的空间没有很严格的要求下发指令方式灵活，使用方便。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开的实施例2中的系统整体结构示意图；

图2为本公开的实施例2中的远程监控系统现场端设备组成各功能模块关系示意图；

图3为本公开的实施例2中的电源模块相关原理组成示意图；

图4为本公开的实施例3中的集成化方案示意图；

图5为本公开的实施例1中的电路连接示意图；

其中，1为3.6V电池组，2为5V电源升压电路，3为5V稳压电路，4为3.3V稳压电路，5为12V本安电源输入，6为12V过压保护电路，7为过流保护电路，8为5V降压电路，9为输出。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中对易燃易爆气体的电路安全中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本公开提出了一种易燃易爆气体的远程监控系统。

本公开目的在于借助现在广泛覆盖我国大部分地区的GPRS网络，通过无线传输的方式实时监控易燃易爆气体的装置。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本公开的技术方案。

实施例1

如图5所示，为一种静电防护装置的电路原理图，包括电阻R1和电阻R2，所述电阻R1和电阻R2一端分别并联一个电感L1和电感L2；所述电阻R1和电阻R2的另一端分别连接系统地；所述电感L1和电感L2的另一端分别与双向TVS瞬间抑制二极管D1和双向TVS瞬间抑制二极管D2连接；所述电感L1和电感L2的另一端分别与电阻R3和电阻R4连接；所述双向TVS瞬间抑制二极管D1和双向TVS瞬间抑制二极管D2的另一端共同连接系统地。

本静电防护装置针对系统中与外部传感器存在连接的地方、针对系统供电环节的输入输出结构都进行了静电和防爆设计。

现场端设备按照实际使用要求并不是直接暴露在易燃易爆气体中，因传感器的传输距离限制，现场端设备必须安装在易燃易爆气体附近，并且直接与易燃易爆气体中的传感器连接。所进行的静电和防爆设计是一种安全防患手段。

实施例2

如图1所示，为本公开的整体结构框架图。一种易燃易爆气体的远程监控系统，包括：现场控制端与远程控制端。远程控制端由远程端上位机系统构成。

现场控制端与远程控制端通过无线网络连接。

在一些实施例中，无线网络为GPRS网络；基于GPRS网络的无线通信技术成熟度高，并且在全球覆盖范围广，最高传输速率可以达到114KSPS。

现场控制端包括电源模块、无线收发模块、采集通信模块、控制模块和人机交互模块。

其中，人机交互模块包括实时显示屏、指示灯及按键。现场控制端是工作人员现场调试组装完成后，须与远程端上位机系统完成数据通信，确认设备的正常工作状态。因此，现场控制端在功能中需要加入适当的人机交互设计。首先，人机交互模块显示系统状态、显示各个传感器单元工作状态。显示屏选用现在流行的串口屏，串口显示屏的正常工作除了提供稳定的供电电源，还必须添加串口保护电路。设计中采用PRTR5V0U2X超低容值轨对轨静电放电保护二极管保护电路，使串口线在高速数据传输的过程中免受静电放电和其他瞬变对信号的影响。

采集通信模块包括标准电流模拟信号采集电路和RS485通信电路。

现场控制端设备硬件电路设计包括：

CPU单元采用的是意法半导体公司出品的STM32单片机，具体型号采用STM32F103C8T6,与在远程端CPU采用的产品型号在性能上基本保持一致。

无线收发模块设计：无线收发模块选用的收发模块为SIM800A，完全兼容当下普及的GPRS移动网络系统，应用简单、使用灵活。供电可直接通过电池供电，与CPU的通信采用串口通讯方式，简单有效。每一个测试点的现场端设备使用唯一的移动网络识别码，易于后续易燃易爆气体远程监控系统的集成组网工作。

通信采集模块设计：本公开中的易燃易爆气体远程监控系统功能的实现必须配合相应的气体传感器实现，本公开实现的功能是将传感器采集到的数据传输到核心控制模块或者将代表气体浓度信号的电信号转换并采集到控制模块并通过无线网络上传到系统上位机。本公开中最基础的功能就是与气体传感器之间的通信模块的设计和对相应传感器的携带了气体浓度信息的电信号的转换和采集功能。通信模块的设计选用较为流行的RS485通讯接口，适用市场上大多数的气体传感器借口。作为整个监控系统中的至关重要的一部分，通信模块在设计过程中尤其注重其安全性和可靠性。通信模块预留出插拔式接线端子连接器底座，传感器通过接线端子与采集通信模块连接，每个传感器对应了一路通信接口，对插式连接端子安装牢固不易脱落，并且具有防错插的功能。

本通信采集模块设计中，除了设计有RS485转换模块，在控制模块与RS485转换模块之间设计有信号隔离模块，通过数字隔离芯片AD1301实现信号隔离功能；通信模块将接收的485信号转换成串口信号，并将信号经隔离模块上传给控制模块，控制模块将数据整合并处理后由无线收发模块发送到云服务器。为了通信的可控性和低功耗的设计，通信功能的实现除了需有信号隔离模块的使能信号外，使能信号同时作为控制信号侧的电源信号，从根本上杜绝了系统的误操作和抗干扰性。为增强RS485通信模块的鲁棒性在通信模块的外部输入输出接口设计有静电防护装置。RS485通信模块作为系统中与传感器连接最重要的部分，供电电路往往是最容易发生危险的部分，其供电电路进行了独立的设计，在RS485通信模块电源电路中，除了要给通信转换芯片供电，还需要向外部传感器供电，一次将系统电源与RS485电源隔离使用并进行了可控设计，可以降低系统功耗，实现低功耗的需求；电路在电源的输入和输出级都设计有足量的防爆稳压电路以保证RS483通信模块的安全性。

采集通信模块中除了RS485通信方式，还需要将输出标准电压信号和电流信号的模拟量直接转换并从中提取有用信息。由于电量转换采用的是片内的AD转换器，为防止外部信号对系统的破环，在信号输入接口电路设计中除了增加了静电防护装置，电路设计中还存在着以防爆安全器件组成的过压过流防护电路，从各个方面上保证系统工作的安全性。

控制指令的输入采用的是按键输入方式和远程控制方式，按键输入方式方便现场工作人员对现场端设备进行操作；远程控制输入方式是在为了现场工作人员操作空间受限，或者无现场工作人员辅助情况下对现场端设备的设置，这大大扩展了设备的应用场景。

电源模块：由于本系统中的现场控制端设备应用的场景具有不确定性，从便携性和实用性的角度考虑，并在保证安全性的基础上尽可能的延长设备的耐用性，系统电源在设计过程中采用外部12V本安直流电源供电和3.6V大容量锂亚电池组供电两种不同的供电方式，系统电源在设计中可以根据具体应用场景的变化实现供电方式的自动切换。

12V本安直流电源经过流过压防护电路后，进入由可控电压变换芯片MP2303组成的降压电路，将输入的12V电压降到5V，供系统的输出的外部传感器使用；再通过低电压调节器LM1117-3.3将电压降到3.3V，供系统中的CPU和无线模块使用。在外部降压电路的输入和输出端的设计都采用了达到防爆要求的元器件，即使电路在使用过程中因为误操作或其他不确定的因素导致的电路异常都可以实现安全。为保证系统工作的耐久性，在电路设计中优先使用外部电源供电方式。为实现系统在系统电源自动切换的功能，系统的外部12V电源同时作为降压电路的使能控制信号。在没有外部电源输入的情况下该降压电路不工作，并在降压电路的输出级设置了单方向输出二极管，从两方面保证系统在电池供电时唯一性。

电池组电压通过可控电压变换芯片SDB628组成的升压电路，将电池组的3.6V电压升到5V；系统中的CPU、显示屏、无线收发模块的供电电压是3.3V供电，因此，电源模块又加入了低压差电压调节器LM1117-3.3，将电压降低到3.3V，给电路板的各个模块供电，此外3.3V电源可直接通过电池组经二极管SS3200降压后使用；12V本安直流电源经过流过压防护电路后，进入由可控电压变换芯片MP2303组成的降压电路，将输入的12V电压降到5V；两种供电方式在5V电源网络中实现电路的统一，并且，两种供电方式在使用过程中可以实现自动选择切换。

为提高系统的安全性和耐用性，电池组采用大容量的一次性锂亚电池，在电源模块中通过增添了足量的防爆型稳压二极管电路设计。为防止两种供电方式相互串扰，5V电压的输出级都设计有防止方向的二极管；12V本安直流电源供电电路中不仅设计有防爆型稳压二极管，在输入级更是包括电流限制和热关断开关设计，在电路故障或者其他突发事件导致电流过大时可以及时切断电路，保护电路安全。在存在外部供电的环境中优先使用12V本安直流电源供电，保证系统长期稳定工作，在没有外部供电的环境中切换到电池供电模式，系统低功耗运行

实施例3

该实施例的技术方案是：基于如今已十分成熟的GPRS移动网络技术，在现有的易燃易爆气体有线检测的技术基础上，发挥无线技术的优势，将传感器采集到的易燃易爆气体的信息接收并重新打包编码，将数据包上传到无线网络的云平台，远程上位机软件将储存在云平台上数据包解码并重新组合成易燃易爆气体信息数据，实时地呈现给监控人员，达到远程监控目的。

如图4所示，为本公开实施例2中的数据传输简略图。

该实施例包括现场控制端、云平台及远程上位机；

现场控制端中的气体采集传感器利用无线收发模块通过无线网络与云平台进行信息交互；远程上位机针对云平台中气体采集传感器采集的数据信息进行分析处理。

在该实施例子中的云平台为云服务器。

该实施例与现代社会中正在兴起的云技术相结合，为易燃易爆气体在使用传输过程中的实时远程监控提供了条件。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种静电防护装置，其特征是，包括电阻R1和电阻R2，

所述电阻R1和电阻R2一端分别并联一个电感L1和电感L2；所述电阻R1和电阻R2的另一端分别连接系统地；

所述电感L1和电感L2的另一端分别与双向TVS瞬间抑制二极管D1和双向TVS瞬间抑制二极管D2连接；所述电感L1和电感L2的另一端分别与电阻R3和电阻R4连接；

所述双向TVS瞬间抑制二极管D1和双向TVS瞬间抑制二极管D2的另一端共同连接系统地。

2.一种易燃易爆气体的程监控系统，其特征是，包括：现场控制端与远程上位机；

现场控制端，包括电源模块、无线收发模块、采集通信模块及人机交互模块；

现场控制端利用所述无线收发模块通过无线网络与远程上位机进行信息交互；

所述电源模块分别对无线收发模块、采集通信模块及人机交互模块提供电能；

所述电源模块能够支持本安直流电源供电和大容量锂亚电池组两种供电方式，并根据需求的不同能够对这两种不同供电方式进行自动切换。

3.如权利要求1所述的一种易燃易爆气体的远程监控系统，其特征是，

所述采集通信模块包括通信模块；

所述通信模块的信号输入及输出接口电路部分均设有如权利要求1所述的静电防护装置；

所述通信模块内设有AD转换器进行模数转换；

所述通信模块内设有以防爆安全器件组成的过压过流防护电路；

所述通信模块通过通讯接口与若干个气体传感器连接。

4.如权利要求3所述的一种易燃易爆气体的远程监控系统，其特征是，

所述现场控制端，还包括控制模块；

所述采集通信模块，还包括隔离模块；

所述通信模块将采集的若干个气体传感器的信号转换成串口信号，并将串口信号经信号隔离模块上传至控制模块；

所述控制模块将数据整合并处理后由所述无线收发模块发送到远程上位机。

5.如权利要求1所述的一种易燃易爆气体的远程监控系统，其特征是，

所述人机交互模块包括实时显示屏、指示灯及按键；

所述实时显示屏为串口屏，所述实时显示屏能够显示本系统运行状态及各个传感器单元工作状态；

人机交互模块所述设有超低容值轨对轨静电放电保护二极管保护电路。

6.如权利要求1所述的一种易燃易爆气体的远程监控系统，其特征是，

所述本安直流电源的电流电压通过过压防护电路后，进入由可控电压变换芯片组成的降压电路将输入的高电压降到能供本系统的若干个传感器使用的第一低电压；

第一低电压再通过低电压调节器将电压降到第二低电压，供本系统中的所述控制模块和无线收发模块使用；

所述降压电路的输入和输出端设有符合防爆要求的元器件。

7.如权利要求1所述的一种易燃易爆气体的远程监控系统，其特征是，

大容量锂亚电池的电池电压经二极管降压后启动本系统控制模块，再由控制模块启动由可控电压变换芯片组成的升压电路，将输入的电压升到所述第一低电压；

所述第一低电压电压供本系统的若干个传感器使用。

8.如权利要求1所述的一种易燃易爆气体的远程监控系统，其特征是，

优先使用本安直流电源供电方式；本安直流电源同时作为本安直流电源供电电路中的降压电路的使能控制信号。

当本安直流电源输入时，大容量锂亚电池供电电路不启动升压电路，大容量锂亚电池供电电路中升压电路中的输出级设有防反向输出机制使升压电路保持独立性，防止两种供电方式之间相互串扰；

当本安直流电源没有输入时，所述本安直流电源供电电路中的降压电路不工作，所述降压电路的输出级设有单方向输出二极管，从而保证本系统在电池供电不受本安直流电源干扰。

9.如权利要求1所述的一种易燃易爆气体的远程监控系统，其特征是，

现场控制端支持按键输入和远程控制输入这两种控制指令输入的方式；

所述按键输入，为通过所述人机交互界面进行控制指令输入；

所述远程控制输入，为通过远程上位机的输入单元进行控制指令的输入。

10.如权利要求1所述的一种易燃易爆气体的远程监控系统，其特征是，

现场控制端中的气体采集传感器利用无线收发模块通过无线网络与云平台进行信息交互；远程上位机针对云平台中气体采集传感器采集的数据信息进行分析处理。