CN112630376A - 一种使用LoRa通信的船用气体监测装置及低功耗实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种使用LoRa通信的船用气体监测装置，装置由单片机、气体传感器、LoRa无线通讯模块、电源管理模块、声光报警器、LED灯和锂电池构成，LoRa无线通讯模块、气体传感器、电源管理模块、声光报警器、LED灯与单片机相连，电源管理模块输入端与锂电池连接，电源管理模块输出端与单片机连接，锂电池经电源管理模块向单片机供电；本发明将Lora无线通信技术应用于船舶建造环境中的气体监测装置，实现数据的远程传输，使装置可作为无线可移动终端，对氧气、一氧化碳、甲烷、挥发性有机溶剂等浓度进行实时监测，并将监测数据上传到上位机，通过上位机传到服务器，由服务器进行发布，降低船厂安全员的劳动强度，填补安全监管空缺，提升船厂安全监管能力。
Description
技术领域
本发明涉及无线气体监测领域，尤其涉及一种使用LoRa通信的船用气体监测装置及低功耗实现方法。
背景技术
船舶建造过程中密闭舱室、有限空间作业多，此类作业常发生人员窒息或燃爆事故。原因是有限空间由于空气不流动，易出现空气中氧气含量低而导致缺氧窒息；当在密闭空间进行切割、油漆作业时，由于可燃气体泄露、挥发性有机溶剂导致空气中可燃气体浓度达到爆炸极限而引发的燃爆。此类事故的发生呈现偶发性，救治困难，往往出现重大伤亡。因此，在进行此类作业前，需要对有限空间的气体进行检测，确定其浓度在安全范围内。
现有的检测方式有三类，第一类是使用手持式气体检测设备，船厂安全员会对每个有限空间内的气体浓度进行检测，只有当气体浓度符合要求时才容许进入作业。但作业过程中的气体浓度可能会因某种偶发因素出现变化，当前措施是无法及时感知的，使作业人员面临潜在的安全威胁。密闭空间作业点多，目前措施不能做到全过程监管。第二类是采用有线组建监测网，然后检测数据上传到监控中心再分发，这种方式实现了远程无人全过程的监管。但是有线网络存在布线困难，使用维护成本高昂等问题；对于船舶建造过程这种临时的、短期的使用并不实用。第三类是指通过采用WiFi、ZigBee等无线通信技术组建监测网，然后检测数据上传到监控中心再分发，这种方式降低了布线组网工作量。但存在信号不稳定、通信距离短、气体监测终端因功耗较高、锂电池容量有限导致使用时间偏短等问题，制约了此类方式的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用LoRa通信的船用气体监测装置及低功耗实现方法，实现对气体浓度的实时和全过程监测，较好解决了当前无线气体监测功耗较高、使用时间短的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种使用LoRa通信的船用气体监测装置，其特征在于，所述装置由单片机、气体传感器、LoRa无线通讯模块、电源管理模块、声光报警器、LED灯和锂电池构成，所述LoRa无线通讯模块、气体传感器、电源管理模块、声光报警器、LED灯均与单片机相连，所述电源管理模块的输入端与锂电池连接，所述电源管理模块的输出端与单片机连接，所述锂电池经由电源管理模块向单片机供电。
进一步地，所述电源管理模块包括DC-DC转换器、输出接口和Micro-USB充电口，所述电源管理模块通过Micro-USB充电口为锂电池充电。
一种使用LoRa通信的船用气体监测装置的低功耗实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1）单片机接收上位机的指令，跳转步骤S2；
步骤S2）当接收到上位机休眠指令，单片机将气体探头断电，单片机休眠，仅处理接收到的LoRa无线通讯模块指令，不发送信息；
当接收到上位机唤醒指令，单片机开始工作，给气体传感器供电，跳转步骤S3；
步骤S3）气体传感器对周围气体采样，输出模拟电信号，通过模数转换器将模拟电信号转换为数字信号输出给单片机，单片机将数字信号转换成气体浓度值采集气体浓度数据，跳转步骤S4；
步骤S4）单片机将当前气体浓度值与阈值和前值比较，如果当前气体浓度值高于或低于阈值，跳转步骤S5，如果气体浓度值等于阈值，跳转步骤S8；
步骤S5）单片机触发声光报警器，跳转步骤S6；
步骤S6）单片机将气体浓度值传输给LoRa无线通讯模块，跳转步骤S7；
步骤S7）气体浓度值通过LoRa无线通讯模块发送给上位机，跳转步骤S3；
步骤S8）判断气体浓度是否等于前值，若是，跳转步骤S9，若否，跳转步骤S12；
步骤S9）将当前气体浓度值存入存储器，并替换前值，跳转步骤S10；
步骤S10）将气体浓度值传输给LoRa无线通讯模块，跳转步骤S11；
步骤S11）气体浓度值通过LoRa无线通讯模块发送给上位机，跳转步骤S3；
步骤S12）舍弃该气体浓度值，跳转步骤S3。
进一步地，在所述步骤2中，当接收到唤醒指令，单片机开始工作，同时跳转步骤S13；
步骤S13）单片机进行电池电压的数据采集，然后跳转步骤S14；
步骤S14）单片机依照电压值推算出当前电量，跳转步骤S15；
步骤S15）判断电池剩余电量是否小于40%满电量，若否，跳转步骤S16，若是，跳转步骤S17；
步骤S16）LED闪绿灯一次，跳转步骤S13；
步骤S17）判断电池剩余电量是否小于20%满电量，若否，跳转步骤S18，若是，跳转步骤S19；
步骤S18）LED闪黄灯一次，跳转步骤S20；
步骤S19）LED灯亮红灯，跳转步骤S20；
步骤S20）传输电量信息给LoRa无线通讯模块，跳转步骤S21；
步骤S21）电量信息通过LoRa无线通讯模块发送给上位机，跳转步骤S13。
进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S31）气体传感器对周围气体采样；
步骤S32）气体传感器输出模拟信号；
步骤S33）模拟信号经过模数转换器；
步骤S34）输出数字信号。
进一步地，所述单片机输出触发指令后，继电器动作，电路通路，蜂鸣器响，灯亮；所述单片机输出停止指令后，继电器动作，电路断路，声光报警器停止工作。
进一步地，所述LoRa无线通讯模块向单片机和上位机发送信息。
进一步地，电源管理模块的Micro-USB充电口外接充电电源时为高电平，此时Micro-USB充电口为锂电池充电；当Micro-USB充电口没有外接充电电源时为低电平，此时Micro-USB充电口为锂电池和单片机供电。
进一步地，所述单片机接收上位机指令包括以下步骤：
步骤S101）上位机控制指令下发，跳转步骤S102；
步骤S102）判断单片机是否接收到指令，若是，跳转步骤S103，若否，跳转步骤S101；
步骤S103）单片机执行指令。
本发明将Lora无线通信技术应用于船舶建造环境中的气体监测装置，实现数据的远程传输，使得所述的船用气体监测装置可作为无线可移动终端，对氧气、一氧化碳、甲烷、挥发性有机溶剂等浓度进行实时监测，并将监测数据上传到上位机，通过上位机传到服务器，由服务器进行发布，从而降低了船厂安全员的劳动强度，填补了安全监管空缺，提升了船厂安全监管能力。
采用470MHz-510MHz频段的LoRa，在船舶这种金属结构物内部显示出极强的信号穿透能力，同样的发射功率下比WiFi、ZigBee提供更大的信号覆盖范围，而且功耗更低、信号更稳定。
本发明在使用LoRa这种低功耗的无线通信技术的基础上，采用所述低功耗实现方法进一步降低了所述自带锂电池电源的气体监测装置的功耗，显著延长了装置的一次使用时长，减少了装置充电的频次，使用电池供电的装置更适用船舶建造的需求。
附图说明
图1为本发明船用气体监测装置的结构示意图；
图2为本发明船用气体监测装置的低功耗实现方法的流程图；
图3为本发明气体传感器工作流程图；
图4为本发明声光报警器工作流程图；
图5为本发明LoRa无线通讯模块工作流程图；
图6为本发明LED灯工作流程图；
图7为本发明电源管理模块工作流程图；
图8为本发明单片机配合气体传感器的流程图；
图9为本发明单片机配合LED灯的流程图。
附图标记：
1单片机2气体传感器3LoRa无线通讯模块4电源管理模块
5声光报警器6LED灯7锂电池。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种使用LoRa通信的船用气体监测装置，如图1所示，所述装置由单片机1、气体传感器2、LoRa无线通讯模块3、电源管理模块4、声光报警器5、LED灯6和锂电池7构成，所述LoRa无线通讯模块3、气体传感器2、电源管理模块4、声光报警器5、LED灯6均与单片机1相连，所述电源管理模块4的输入端与锂电池7连接，所述电源管理模块4的输出端与单片机1连接，所述锂电池7经由电源管理模块4向单片机1供电。
所述电源管理模块4包括DC-DC转换器、输出接口和Micro-USB充电口，所述电源管理模块通过Micro-USB充电口为锂电池充电。
一种使用LoRa通信的船用气体监测装置的低功耗实现方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤S1）单片机接收上位机的指令，跳转步骤S2；
步骤S2）当接收到上位机休眠指令，单片机将气体探头断电，单片机休眠，仅处理接收到的LoRa无线通讯模块指令，不发送信息；
当接收到上位机唤醒指令，单片机开始工作，给气体传感器供电，单片机开始工作，给气体探头供电，通过IO端口周期性（每隔15分钟）采集锂电池电压数据，跳转步骤S3；
步骤S3）气体传感器对周围气体采样，输出模拟电信号，通过模数转换器将模拟电信号转换为数字信号输出给单片机，单片机将数字信号转换成气体浓度值采集气体浓度数据，跳转步骤S4；
步骤S4）单片机将当前气体浓度值与阈值和前值比较，如果当前气体浓度值高于或低于阈值，跳转步骤S5，如果气体浓度值等于阈值，跳转步骤S8；
步骤S5）单片机触发声光报警器，跳转步骤S6；
步骤S6）单片机将气体浓度值传输给LoRa无线通讯模块，跳转步骤S7；
步骤S7）气体浓度值通过LoRa无线通讯模块发送给上位机，跳转步骤S3；
步骤S8）判断气体浓度是否等于前值，若是，跳转步骤S9，若否，跳转步骤S12；
步骤S9）将当前气体浓度值存入存储器，并替换前值，跳转步骤S10；
步骤S10）将气体浓度值传输给LoRa无线通讯模块，跳转步骤S11；
步骤S11）气体浓度值通过LoRa无线通讯模块发送给上位机，跳转步骤S3；
步骤S12）舍弃该气体浓度值，跳转步骤S3。
在所述步骤2中，当接收到唤醒指令，单片机开始工作，同时跳转步骤S13；
步骤S13）单片机进行电池电压的数据采集，然后跳转步骤S14；
步骤S14）单片机依照电压值推算出当前电量，跳转步骤S15；
步骤S15）判断电池剩余电量是否小于40%满电量，若否，跳转步骤S16，若是，跳转步骤S17；
步骤S16）LED闪绿灯一次，跳转步骤S13；
步骤S17）判断电池剩余电量是否小于20%满电量，若否，跳转步骤S18，若是，跳转步骤S19；
步骤S18）LED闪黄灯一次，跳转步骤S20；
步骤S19）LED灯亮红灯，跳转步骤S20；
步骤S20）传输电量信息给LoRa无线通讯模块，跳转步骤S21；
步骤S21）电量信息通过LoRa无线通讯模块发送给上位机，跳转步骤S13。
如图6所示，所述LED灯是三色灯，分别显示红、黄、绿三种颜色，用来指示锂电池的剩余电量，单片机通过IO端口周期性（每隔15分钟）采集锂电池电压数据，依据已知的电压与电量的关系推算出当前剩余电量；当电池剩余电量大于等于40%时闪绿灯，表示电量充足；当电池剩余电量小于40%且大于等于20%时闪黄灯，表示电量不足需要充电，同时剩余电量信息通过LoRa无线通讯模块发送给上位机；当电池剩余电量小于20%时亮红灯，表示电量即将耗尽需要充电，同时剩余电量信息通过LoRa无线通讯模块发送给上位机。
如图3所示，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S31）气体传感器对周围气体采样；
步骤S32）气体传感器输出模拟信号；
步骤S33）模拟信号经过模数转换器；
步骤S34）输出数字信号。
如图4所示，图1中声光报警器由发光二极管和蜂鸣器组成，声光报警器连接继电器，继电器连接单片机；当单片机输出指令控制继电器，继电器使声光报警器的电路连通时，蜂鸣响、发光二极管亮，继电器使声光报警器的电路断开时，声光报警器停止工作。
如图5所示，所述LoRa无线通讯模块向单片机和上位机发送信息，LoRa无线通讯模块由SX1278射频芯片、天线和外围电路组成，SX1278射频芯片通过天线接收上位机的信息，向上位机发送信息；单片机通过SPI总线接口与SX1278射频芯片通信，接收SX1278射频芯片的信息，向SX1278射频芯片输出信息。
如图7所示，电源管理模块的Micro-USB充电口外接充电电源时为高电平，此时Micro-USB充电口为锂电池充电；当Micro-USB充电口没有外接充电电源时为低电平，此时Micro-USB充电口为锂电池和单片机供电。
如图8所示，一种使用LoRa通信的船用气体监测装置的低功耗实现方法，图1中所述单片机周期性接收图1中所述气体探头输出的信号将其还原成气体浓度值，将其与先前的测量值比较，当所述当前气体浓度不同于先前气体浓度时，所述单片机将当前气体浓度值存入单片机Flash存储器替换前值并将当前气体浓度值通过图1中所述LoRa无线通讯模块发送给上位机；所述当前气体浓度未变化时，将其舍弃，不存储也不发送。
如图9所示，所述单片机接收上位机指令包括以下步骤：
步骤S101）上位机控制指令下发，跳转步骤S102；
步骤S102）判断单片机是否接收到指令，若是，跳转步骤S103，若否，跳转步骤S101；
步骤S103）单片机执行指令。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种使用LoRa通信的船用气体监测装置，其特征在于，所述装置由单片机、气体传感器、LoRa无线通讯模块、电源管理模块、声光报警器、LED灯和锂电池构成，所述LoRa无线通讯模块、气体传感器、电源管理模块、声光报警器、LED灯均与单片机相连，所述电源管理模块的输入端与锂电池连接，所述电源管理模块的输出端与单片机连接，所述锂电池经由电源管理模块向单片机供电。
2.根据权利要求1所述的一种使用LoRa通信的船用气体监测装置，其特征在于，所述电源管理模块包括DC-DC转换器、输出接口和Micro-USB充电口，所述电源管理模块通过Micro-USB充电口为锂电池充电。
3.一种使用LoRa通信的船用气体监测装置的低功耗实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1）单片机接收上位机的指令，跳转步骤S2；
步骤S2）当接收到上位机休眠指令，单片机将气体探头断电，单片机休眠，仅处理接收到的LoRa无线通讯模块指令，不发送信息；
当接收到上位机唤醒指令，单片机开始工作，给气体传感器供电，跳转步骤S3；
步骤S3）气体传感器对周围气体采样，输出模拟电信号，通过模数转换器将模拟电信号转换为数字信号输出给单片机，单片机将数字信号转换成气体浓度值采集气体浓度数据，跳转步骤S4；
步骤S4）单片机将当前气体浓度值与阈值和前值比较，如果当前气体浓度值高于或低于阈值，跳转步骤S5，如果气体浓度值等于阈值，跳转步骤S8；
步骤S5）单片机触发声光报警器，跳转步骤S6；
步骤S6）单片机将气体浓度值传输给LoRa无线通讯模块，跳转步骤S7；
步骤S7）气体浓度值通过LoRa无线通讯模块发送给上位机，跳转步骤S3；
步骤S8）判断气体浓度是否等于前值，若是，跳转步骤S9，若否，跳转步骤S12；
步骤S9）将当前气体浓度值存入存储器，并替换前值，跳转步骤S10；
步骤S10）将气体浓度值传输给LoRa无线通讯模块，跳转步骤S11；
步骤S11）气体浓度值通过LoRa无线通讯模块发送给上位机，跳转步骤S3；
步骤S12）舍弃该气体浓度值，跳转步骤S3。
4.根据权利要求3所述的使用LoRa通信的船用气体监测装置的低功耗实现方法，其特征在于，在所述步骤2中，当接收到唤醒指令，单片机开始工作，同时跳转步骤S13；
步骤S13）单片机进行电池电压的数据采集，然后跳转步骤S14；
步骤S14）单片机依照电压值推算出当前电量，跳转步骤S15；
步骤S15）判断电池剩余电量是否小于40%满电量，若否，跳转步骤S16，若是，跳转步骤S17；
步骤S16）LED闪绿灯一次，跳转步骤S13；
步骤S17）判断电池剩余电量是否小于20%满电量，若否，跳转步骤S18，若是，跳转步骤S19；
步骤S18）LED闪黄灯一次，跳转步骤S20；
步骤S19）LED灯亮红灯，跳转步骤S20；
步骤S20）传输电量信息给LoRa无线通讯模块，跳转步骤S21；
步骤S21）电量信息通过LoRa无线通讯模块发送给上位机，跳转步骤S13。
5.根据权利要求3所述的使用LoRa通信的船用气体监测装置的低功耗实现方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S31）气体传感器对周围气体采样；
步骤S32）气体传感器输出模拟信号；
步骤S33）模拟信号经过模数转换器；
步骤S34）输出数字信号。
6.根据权利要求3所述的使用LoRa通信的船用气体监测装置的低功耗实现方法，其特征在于，所述单片机输出触发指令后，继电器动作，电路通路，蜂鸣器响，灯亮；所述单片机输出停止指令后，继电器动作，电路断路，声光报警器停止工作。
7.根据权利要求3所述的使用LoRa通信的船用气体监测装置的低功耗实现方法，其特征在于，所述LoRa无线通讯模块向单片机和上位机发送信息。
8.根据权利要求3所述的使用LoRa通信的船用气体监测装置的低功耗实现方法，其特征在于，电源管理模块的Micro-USB充电口外接充电电源时为高电平，此时Micro-USB充电口为锂电池充电；当Micro-USB充电口没有外接充电电源时为低电平，此时Micro-USB充电口为锂电池和单片机供电。
9.根据权利要求3所述的使用LoRa通信的船用气体监测装置的低功耗实现方法，其特征在于，所述单片机接收上位机指令包括以下步骤： 步骤S101）上位机控制指令下发，跳转步骤S102；
步骤S102）判断单片机是否接收到指令，若是，跳转步骤S103，若否，跳转步骤S101；
步骤S103）单片机执行指令。
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