CN203276013U - 基于cc2530的天然气汽车气体无线监测控制器 - Google Patents

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王玉庆
宋艳
王帅
郑伟伟
王胜
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    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Abstract

本实用新型公开了一种基于CC2530的天然气汽车气体无线监测控制器，包括燃气无线控制阀节点、无线协调器节点和N个无线监测节点，N≥1；所述N个无线监测节点中的每一个无线监测节点均包括气体传感器、ADC模块、微处理器和无线通信模块；所述燃气无线控制阀节点包括微处理器、无线通信模块和燃气控制阀；所述无线协调器节点包括协调器主控单元、LCD显示屏、数据存储器、声光报警模块和无线通信模块，所述LCD显示屏、数据存储器、声光报警模块和无线通信模块分别连接协调器主控单元。本实用新型依据天然气汽车的实际情况，需要对汽车多个气体容易泄露的敏感点进行检测监控，可以实现对汽车内天然气浓度实时检测、预警、控制。

Description

基于CC2530的天然气汽车气体无线监测控制器
技术领域
本实用新型涉及一种气体监测系统，具体涉及一种基于CC2530的天然气汽车气体无线监测控制器。
背景技术
随着我国国民经济的飞速发展，汽车保有量急剧增长、石油资源和环保的严峻形势，决定了发展天然气汽车成为解决能源问题和环境问题的重要途径路。然而，在天然气汽车推广过程中，人们担心天然气汽车，特别是CNG(Compressed natural gas：压缩天然气)汽车的安全性。这是一种误解。当然，天然气是无色、无味、易爆气体，发生泄露时不易被察觉。但天然气的爆炸是有条件、有前兆的和可以预测的。少量的燃气泄漏在空气中形成较低的浓度，不会引起着火、爆炸事故，没有太大的危害。但是，如果缺乏监控，气体泄漏量较大或慢慢地积累，就会在空气中形成较高浓度的可燃性气体，一旦达到一定的程度，遇明火或火花就会产生着火爆炸的危险。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于CC2530的天然气汽车气体无线监测控制器，有效解决了现有技术中的问题，依据天然气汽车的实际情况，需要对汽车多个气体容易泄露的敏感点进行检测监控，可以实现对汽车内天然气浓度实时检测、预警、控制。
为解决以上技术问题，本实用新型采用以下技术方案：
一种基于CC2530的天然气汽车气体无线监测控制器，其中，包括燃气无线控制阀节点、无线协调器节点和N个无线监测节点，N≥1；所述N个无线监测节点中的每一个无线监测节点均包括气体传感器、ADC模块、微处理器和无线通信模块，所述气体传感器、ADC模块、微处理器和无线通信模块依次连接；所述燃气无线控制阀节点包括微处理器、无线通信模块和燃气控制阀，无线通信模块、微处理器和燃气控制阀依次连接；所述无线协调器节点包括协调器主控单元、LCD显示屏、数据存储器、声光报警模块和无线通信模块，所述LCD显示屏、数据存储器、声光报警模块和无线通信模块分别连接协调器主控单元。
作为优选，所述无线监测节点和燃气无线控制阀节点的采用CC2530芯片，无线通信模块采用CC2530芯片内置的无线射频天线。                   
作为优选，所述无线协调器节点的协调器主控单元采用CC2530芯片。
作为优选，所述LCD显示屏的显示驱动电路包括两个级联的74HC595芯片。
作为优选，所述的声光报警模块包括蜂鸣器和两个三极管，由两个三极管控制蜂鸣器的正负极。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型依据天然气汽车的实际情况，需要对汽车多个气体容易泄露的敏感点进行检测监控，可以实现对汽车内天然气浓度实时检测、预警、控制。本实用新型测试准确、稳定性、重复性和抗干扰性能好，符合国标及消防认证要求。可以预见,随着天然气汽车的进一步推广, 成本低、性能好的该天然气汽车无线监测器会越来越倍受关注，其市场前景也相当可观。
附图说明
图1是本实用新型的结构框图；
图2是本实用新型无线发射硬件电路原理图；
图3是本实用新型协调器显示硬件电路原理图；
图4是本实用新型协调器声音报警硬件电路原理图；
图5是本实用新型气体信号检测硬件电路原理图；
图6是本实用新型燃气阀控制硬件原理图；
图7是本实用新型的系统流程图；
图8是本实用新型在常温(                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE001
)、高温()和低温(
Figure DEST_PATH_IMAGE003
)三种环境温度下进行试验的甲烷气体浓度示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本实用新型作进一步描述：
如图1所示，本实用新型包括燃气无线控制阀节点、无线协调器节点和N个无线监测节点，N≥1； N个无线监测节点中的每一个无线监测节点均包括传感器、ADC模块、CC2530芯片和射频天线RF，气体传感器、ADC模块、CC2530芯片和射频天线RF依次连接。燃气无线控制阀节点主要包括CC2530芯片、射频天线RF和燃气控制阀，射频天线RF、CC2530芯片和燃气控制阀依次连接。无线协调器节点主要包括协调器主控单元CC2530芯片、LCD显示屏、数据存储器、声光报警模块、射频天线RF和键盘，LCD显示屏、数据存储器、声光报警模块、射频天线RF和键盘分别连接协调器主控单元CC2530芯片。
依据天然气汽车的实际情况，需要对汽车多个气体容易泄露的敏感点进行检测监控，为此，本系统采用星形拓扑网络结构，即：每一个检测点都只能和协调器通信，组成星型网络的一个典型案例就是一个节点被编程为一个协调器，并且被激活开始建立其自己的网络。该协调器做的第一件事情是选择一个在其射频覆盖范围内没有被其他网络使用的特殊PAN标识符，在该射频覆盖范围内无线电之间可以成功的进行相互通信。换句话说，它保证了PAN标识符没有被其他相邻的网络所使用。气体无线监测节点的核心控制单元采用CC2530作为核心部件,通过无线协调器节点与无线监测节点进行数据通信，气体传感器将捕捉的现场信号经ADC模块采样、量化、编码后，变成数字信号传给微处理器CC2530，并无线发送数据。协调器主控单元的主要工作是接收数据信息、进行无线监测节点管理、数据处理和数据管理，并将数据采集结果在LCD液晶屏上显示，如果超过预警值，发出声光报警以提醒司机有气体泄漏发生，如果任何一个无线监测节点采集的信息超过设置的危险值，则向往网络中发出关闭燃气控制阀的指令，燃气无线控制阀节点收到该指令后立即关闭燃气控制阀。 
本系统由三类节点组成：ZigBee协调器节点（即无线协调器节点）、燃气无线控制阀节点、气体无线监测节点。其中ZigBee协调器是分布式处理中心，即汇聚节点。多个传感器置于不同的监测区域，每个传感器会先把数据传给汇聚协调器节点，无线协调器节点做进一步处理并显示给用户。协调器节点可以与多个无线监测节点通信，这样可以使本系统同时监测多个区域，何时检测哪个区域通常由用户通过无线协调器节点来控制。当被检测区域的障碍物较多或者无线协调器节点距离传感器节点较远时，可以通过增加路由器节点来增强网络的稳定性。当用户没有数据请求时，无线监测节点只进行低功耗的信道扫描。
　　为实现ZigBee通信，选用CC2530为通信处理核心器件。CC2530是TI公司推出的新一代ZigBee无线单片机系列芯片。CC2530除了包括RF收发器外，还集成了加强型8051单片机、它具有2/64/128 kB可编程闪存和8 kB的RAM，以及ADC、看门狗等。CC2530可工作在2.4 GHz频段，采用低电压(2.0～3.6 V)供电，待机时电流消耗仅0.2μA，但灵敏度高达-91dBm、最大输出为+0.6dBm、最大传送速率为250 kbps。CC2530仅需添加少量的外围元件就可以完成ZigBee通信功能的硬件实现。
如图2所示，在硬件设计上它采用流水线结构，机器周期由标准的12个系统时钟周期降到1个，因此指令执行速度有很大的提高。具有64个I/O引脚,每个端口都可以配置成推挽或漏极开路输出，可以满足本系统IO口需要。该芯片除了具有标准8051的数字外设之外，片内还集成了许多有用的模拟和数字外设及功能部件，如模拟多路开关、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、看门狗定时器等,支持在系统编程和调试等，本系统由CC2530完成对气体传感器数据的收集、存储、显示。ZigBee协调器节点硬件设计，该节点由无线收发器CC2530、射频天线RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。RF的输入／输出是高阻和差动的，用于RF口最合适的差动负载是(115+j180)Ω。当使用不平衡天线(例如单极天线)时，为了优化性能，应当使用不平衡变压器。不平衡变压器可以运行在使用低成本的单独电感器和电容器的场合。电源模块用于CC2530的数字I／O和部分模拟I／O的供电，供电电压为2．0～3．6 V。CC2530可以同时接32 MHz和32．768kHz的两种频率的晶振电路，以满足不同的要求。
如图3所示，该电路是无线协调器节点显示驱动电路，主要包括两个级联的74HC595。由于主核心芯片CC2530的I/O口资源有限，因此用两个74HC595来级联扩展，然后再将级联之后的所有时钟线与数据再并联在一起（即所有的74HC595共用时钟与数据线，故只占用CC2530的2个I/O口线），最后对每一组的锁存控制线做单独控制（在这里也相当于片选了），这样一来硬件电路得到了很大程度的简化，同时在程序上也可以共用一个74HC595的驱动子程序，控制不同的锁存控制线，串行数据也就送到了不同74HC595级联模组端口。
如图4所示，该电路为报警声音驱动电路，利用两个三极管9013对蜂鸣器正负电极进行控制，通过改变CC2530两个引脚（sound1和sound2）输出的占空比，可以调制出各种报警声音，电路简单、经济、实用、可靠。 
如图5所示，该电路为气体传感器驱动和信号检测电路。半导体传感器电阻率的变化由特定的电路转化为电压信号的变化，然后把此模拟信号经放大和
Figure 672889DEST_PATH_IMAGE004
转换成数字信号,依此变化可判定空气中天然气气体的浓度的变化，从而可判断天然气是否泄漏。图中1和2引脚为加热丝引脚，通过该加热丝对传感器进行预热，3脚和4脚之间为传感器气敏材料,加热丝高温加热后该气敏材料由亚稳态的
Figure DEST_PATH_IMAGE005
转化为稳态的
Figure 932226DEST_PATH_IMAGE006
，其稳态电阻值为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，当与还原气体后
Figure 160076DEST_PATH_IMAGE007
下降。为负载电阻，调节其电阻值可调节传感器的灵敏度。
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为供电电压，
Figure 976777DEST_PATH_IMAGE010
为信号电压。其关系如下式 
                      
Figure DEST_PATH_IMAGE011
          
Figure 210443DEST_PATH_IMAGE010
信号经
Figure 745330DEST_PATH_IMAGE012
滤波处理后再经运放后直接接到CC2530的AD引脚。
如图6所示，该电路为燃气无线控制阀节点的电磁阀控制电路，利用无线控制阀节点的核心芯片CC2530的两个引脚对两个三极管9031和C2500控制，进而对两个继电器进行控制，当无线节点收到关闭燃气电磁阀的指令后即可实现对燃气电磁阀的关闭，电路简单、经济、实用、可靠。
如图7所示，本实用新型包括如下步骤：
步骤一，先进行系统初始化和网络初始化，网络检测正常后开始由N个无线监测节点采集数据，N为自然数；每一个无线监测节点均包括气体传感器、ADC模块和微处理器，气体传感器将采集到的数据经ADC模块转换后传送给微处理器，然后经无线网络发送数据；
步骤二，无线协调节点接收来自N个无线监测节点的数据，根据数据的第1个标识字符来判断是传感器的网络地址还是传感器采集的数据；若是传感器的网络地址，则把该网络地址存储在地址表里；若是传感器采集的数据信息，则把该数据处理后上传到单片机，待把整个监测区域的N个无线监测节点数据采集完毕后，在LCD上显示并执行第三步；
步骤三，将N个无线监测节点采集的数据分别与预警值对比，若没有超过预警值，则执行步骤二；
若有任何一个无线监测节点的数据超过预警值，则发出声光报警以提醒司机，并向网络中发出关闭燃气控制阀的指令，燃气无线控制阀节点收到该指令后立即关闭燃气控制阀。
ZigBee网络支持3种类型拓扑结构：星形结构，网格状结构和族状结构，本系统使用星形网络实现通信，网络配置一个协调器和多个终端节点，在星形网络中所有的终端设备都只与协调器通信，为实现这一功能，协调器必须知道每个采集节点的网络地址，这就需要每个节点在加入网络后把网络地址发送给协调器，协调器收到网络地址后建立地址表存储起来，以便用户要求采集数据时依据地址表来采集每个传感器的数据。IEEE802.15.4MAC数据包最大长度为127字节，每个数据都由头字节和16CRC值组成，在数据传输中使用应答数据传传输机制，设置ACK标志位为1的帧会被接收器应答，如果在一定期限内未收到应答，则证明采集节点发生错误。
当协调器收到信息时，根据数据的第1个标识字符来判断是传感器的网络地址还是传感器采集的数据。若是传感器的网络地址，则把该网络地址存储在地址表里；若是传感器采集的数据信息，则把该数据处理后上传到单片机,待把整个监测区域的传感器数据采集完毕后，根据内部的数据做融合，并把最终结果在LCD上显示以及相应的预警工作。如果任何一个数据采集节点采集的信息超过设置的危险值，则向往网络中发出关闭燃气控制阀的指令，控制阀控制节点收到该指令后立即关闭燃气控制阀。
如图8所示，为验证本系统的可靠性及对气体浓度反应的准确性,严格按照国标对该系统在常温(
Figure 161575DEST_PATH_IMAGE001
)、高温(
Figure 149122DEST_PATH_IMAGE002
)和低温(
Figure 186480DEST_PATH_IMAGE003
)三种环境温度下进行试验验证。在红外分析仪器的监控下，三种状态下控制器报警时红外分析仪器显示的甲烷气体浓度如图，报警点设置在5000ppm。验证结果表明：该系统测试准确、稳定性、重复性和抗干扰性能好，符合国标及消防认证要求。可以预见,随着天然气汽车的进一步推广, 成本低，性能好的该天然气汽车无线监测器会越来越倍受关注，其市场前景也相当可观。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于CC2530的天然气汽车气体无线监测控制器，其特征在于：包括燃气无线控制阀节点、无线协调器节点和N个无线监测节点，N≥1；所述N个无线监测节点中的每一个无线监测节点均包括气体传感器、ADC模块、微处理器和无线通信模块，所述气体传感器、ADC模块、微处理器和无线通信模块依次连接；所述燃气无线控制阀节点包括微处理器、无线通信模块和燃气控制阀，无线通信模块、微处理器和燃气控制阀依次连接；所述无线协调器节点包括协调器主控单元、LCD显示屏、数据存储器、声光报警模块和无线通信模块，所述LCD显示屏、数据存储器、声光报警模块和无线通信模块分别连接协调器主控单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于CC2530的天然气汽车气体无线监测控制器，其特征在于：所述无线监测节点和燃气无线控制阀节点的采用CC2530芯片，无线通信模块采用CC2530芯片内置的无线射频天线。
3.根据权利要求1所述的一种基于CC2530的天然气汽车气体无线监测控制器，其特征在于：所述无线协调器节点的协调器主控单元采用CC2530芯片。
4.根据权利要求1所述的一种基于CC2530的天然气汽车气体无线监测控制器，其特征在于：所述LCD显示屏的显示驱动电路包括两个级联的74HC595芯片。
5.根据权利要求1所述的一种基于CC2530的天然气汽车气体无线监测控制器，其特征在于：所述的声光报警模块包括蜂鸣器和两个三极管，由两个三极管控制蜂鸣器的正负极。
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