CN206114519U - 低功耗地下甲烷监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种低功耗地下甲烷监测装置，包括主控芯片，甲烷传感器，GPRS模块和RTC实时时钟单元，该RTC实时时钟单元采用定时和中断功能关闭和唤醒该主控芯片，该甲烷传感器置于待监测环境中，当环境中发生甲烷浓度变化时，该甲烷传感器将浓度数据传输给该主控芯片，该主控芯片在唤醒状态下周期性的向该甲烷传感器发送读取命令，并将从甲烷传感器读取的浓度数据经过处理后暂时存入数据存储器，当定时时间到时，该主控芯片将处理后的数据从数据存储器读出并打包，通过该GPRS模块发送至监控中心。该低功耗地下甲烷监测装置具有快速的响应能力以及长的免维护周期，这将大大提高甲烷检测能力，同时大大降低系统维护成本。

Description

低功耗地下甲烷监测装置

技术领域

本实用新型涉及地下甲烷监测装置，特别是涉及到一种低功耗地下甲烷监测装置。

背景技术

目前市场上的甲烷监测装置主要有两种，一种是基于催化燃烧原理，另一种采用NDIR原理。以上两种产品都已经实现了实用化，但是都各自存在较大的缺陷。首先，基于催化燃烧原理的甲烷传感设备存在的缺点主要有如下几个：①很容易彻底中毒，如果暴露在有机硅、铅、硫和氯化物这些组分中，将失去对可燃气的作用；②可产生烧结物，阻止了可燃气与传感器接触；③没有自动安全防护装置，当传感器中毒后继续通电并显示零点气；④在某些环境下灵敏度会下降（特别是硫化氢和卤素）；⑤需要最少12%的氧气体积浓度。在氧气浓度不足情况下工作效率明显下降；⑥如果暴露在可燃气体浓度过高，会被烧坏；⑦灵敏度随时间下降。红外气体传感器这些年发展速度很快，克服了以上催化燃烧的缺点，但目前基于NDIR原理的传感设备普遍存在功耗大的问题，一般的免维护周期不大于6个月，这样的周期对于大规模使用的区域将伴随着巨大的人力维护成本。此外，由于传统甲烷传感器的气室结构一般为半封闭式设计，限制了气体扩散速度，也就限制了系统的响应时间，成为气体动态检测的一个瓶颈。甲烷监测设备响应时间一般大于30s，对于甲烷浓度快速变化或波动的环境无法获得准确值，限制了实际测量精度。为此我们发明了一种新的低功耗地下甲烷监测装置，解决了以上技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种就低功耗设计和快速响应能力提高方便进行了改善，装置理论免维护周期为12个月，响应时间小于6s的低功耗地下甲烷监测装置。

本实用新型的目的可通过如下技术措施来实现：低功耗地下甲烷监测装置，该低功耗地下甲烷监测装置包括主控芯片，甲烷传感器，GPRS模块和RTC实时时钟单元，该RTC实时时钟单元连接于该主控芯片，采用定时和中断功能关闭和唤醒该主控芯片，该甲烷传感器置于待监测环境中，当环境中发生甲烷浓度变化时，该甲烷传感器将浓度数据传输给该主控芯片，该GPRS模块连接于该主控芯片，该主控芯片在唤醒状态下周期性的向该甲烷传感器发送读取命令，并将从该甲烷传感器读取的浓度数据经过处理后暂时存入数据存储器，当定时时间到时，该主控芯片将处理后的数据从数据存储器读出并打包，通过该GPRS模块发送至监控中心。

本实用新型的目的还可通过如下技术措施来实现：

该低功耗地下甲烷监测装置还包括电池单元、传感器供电芯片、GPRS模块供电芯片、主控供电芯片，该电池单元连接于该传感器供电芯片、该GPRS模块供电芯片和该主控供电芯片，为该传感器供电芯片、该GPRS模块供电芯片和该主控供电芯片提供电源，该传感器供电芯片连接于该甲烷传感器，并为该甲烷传感器供电，该GPRS模块供电芯片连接于该GPRS模块，并为该GPRS模块供电，该主控供电芯片连接于该主控芯片，并为该主控芯片供电。

该主控芯片还包括了片上ADC，该片上ADC测量该电池单元的电压，通过放电曲线，得出该电池单元的电量。

该主控芯片还获取该甲烷传感器的温度信息和该电池单元的电量信息，与浓度数据汇总后，进行存储和定时发送。

该主控芯片采用ARM7芯片，该主控芯片将从该甲烷传感器读取的浓度数据经过内部的数据平均、温湿度补偿后暂时存入数据存储器。

该低功耗地下甲烷监测装置还包括低功耗适时断电休眠单元，该低功耗适时断电休眠单元连接于该主控芯片，该主控芯片通过该低功耗适时断电休眠单元唤醒该甲烷传感器和该GPRS模块。

该甲烷传感器的气室采用三面镂空设计。

该RTC实时时钟单元采用的芯片型号为PCF8563。

该GPRS模块采用的芯片型号为SIM900A。

本实用新型中的低功耗地下甲烷监测装置，主要针对城区雨污排、阀井、涵洞、暗河等与地下燃气管道交叉或临近的特殊空间的燃气泄漏甲烷检测，该装置克服了已有产品的缺陷，采用基于NDIR原理的超低功耗传感器，其实际功耗只有传统传感器的百分之一，这在具备红外吸收式传感器各种优点的同时将大大延长设备的维护周期。传感器另一个优势就是结构上采用顶面和侧面的镂空设计，保证了周围环境与气室内部气体浓度的快速平衡，大大降低了响应时间，是从准动态检测到动态检测质的改变。同时，本实用新型在整机低功耗控制、智能化自检和补偿以及分布式组网适应性等方面都做了具有创新性的设计。本实用新型中的低功耗地下甲烷监测装置，具有快速的响应能力以及长的免维护周期，这将大大提高甲烷检测能力，同时大大降低系统维护成本。

附图说明

图1为本实用新型的低功耗地下甲烷监测装置的一具体实施例的流程图；

图2为本实用新型的一具体实施例中低功耗甲烷传感器的侧面图；

图3为本实用新型的一具体实施例中低功耗甲烷传感器的顶面图；

图4为本实用新型的一具体实施例中RTC实时时钟芯片原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本实用新型的低功耗地下甲烷监测装置的结构图。该低功耗地下甲烷监测装置由ARM7主控芯片1、甲烷传感器2、GPRS模块3、电池单元4、传感器供电芯片5、GPRS模块供电芯片6、ARM7供电芯片7、低功耗适时断电休眠单元8、RTC实时时钟单元9和片上ADC10。

低功耗快速响应智能甲烷监测装置，特点首先在于系统的低功耗设计，主要包括以下几个关键部分：①采用超低功耗甲烷传感器2，本传感器功耗比传统传感器低两个数量级，特别适合作为电池供电设备的传感器件；②模块关断功能设计，通过GPIO控制mos管SI2305，来控制传感器2和GPRS模块3的供电，当系统在睡眠模式时将传感器模块2和GPRS模块3供电切断，达到省电的目的；③主控芯片、供电芯片均选择低功耗产品，从而保证整机系统的低功耗设计。一种低功耗快速响应智能甲烷监测装置，特点还在于所采用甲烷传感器的气室结构特点，如图2和3，气室的三面镂空设计将大大缩短气体扩散和平衡时间，使系统的动态气体检测成为现实。

本装置在ARM7主控芯片1控制下，主要实现如下功能：①采集来自甲烷传感器2的浓度信息并进行处理，这种处理包括浓度数据的整理，即取出一段时间的数据进行求和取平均值，以减小数据波动带来的误差。同时，基于红外光源的传感器受温度影响，浓度测量值会随着温度的变化而改变，主控芯片1需根据返回的传感器温度信息对所获得的数据进行补偿处理，这种补偿是基于大量实验的经验曲线进行，从而保证浓度测量数据的准确性，实现装置的自检和智能补偿；②在RTC实时时钟芯片9提供的时序下，控制甲烷传感器2、GPRS模块3的工作状态，实现按设置的状态进行模块的关断和开启；③获取电池单元4电量信息；④将处理后的浓度、温度数据和电池电量数据传递给GPRS模块3，并控制其发送数据至监控中心11。

如图1，片上ADC10采用stm32ADC通过二极管和电阻分压，测量电池电压，通过放电曲线，得出当前锂电池电量，及时上报电量，以便更换电池。

如图2和3，低功耗甲烷传感器2结构图。所用甲烷传感器2是基于NDIR原理，它采用开放的扩散式气室结构，LED光源发射出的宽带光经过至于气室顶端的微反射镜反射至光电探测器进行光电转换，底部的电路部分将实现数据采集和处理以及光源的功率控制等功能。传感器的输出为气体浓度解调信息的数字量，可方便得通过URAT接口与ARM7主控芯片1进行通信。甲烷传感器2可以进行工作模式的切换，可设置连续采集和周期性采集模式。甲烷传感器2内置温度芯片，可同时上传传感器的温度环境信息。

如图4，RTC实时时钟芯片原理物图。RTC实时时钟单元9的芯片型号为PCF8563，PCF8563是一款CMOS实时时钟(RTC)和日历，最适合低功耗应用。还提供可编程时钟输出、中断输出和电压过低检测器。通过两线双向I²C总线串行传送所有地址和数据。最大总线速度为400kbit/s。寄存器地址会在每次写入或读取数据字节后自动递增。本装置将通过其中断INT功能，产生周期性输出中断，唤醒MCU（ARM7主控芯片1）。通过其实时时钟功能，获得当前时间。

本装置采用的GPRS模块3的芯片型号为SIM900A，SIM900A属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式。SIM900A采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。GPRS模块3将在ARM7主控芯片1的控制下，有计划得将浓度的历史数据发送出去。

电池单元主要由锂亚电池组成，锂亚电池由于其特殊的化学特性，钝化效应，其年自放电电流小于1%，储存寿命达10年以上，所以广泛应用于水表，电表和燃气表中做电源。电池单元4将分别通过TPS62175芯片5、TPS70933芯片6和TPS62130芯片7分别对甲烷传感器2、GPRS模块3和ARM7主控芯片1进行低功耗供电。

为了使本实用新型的优点和特征更利于被本领域技术人员理解，下面将结合原理图1介绍本装置的具体工作过程。

RTC实时时钟单元9为装置提供系统时钟，利用其定时和中断功能关闭和唤醒主控芯片1；甲烷传感器2置于待监测环境中，当环境中发生甲烷浓度变化时，由于其开放的气室结构，传感器2将快速响应并通过URAT接口将浓度数据传递给主控芯片1；主控芯片1在唤醒状态下会周期性的向甲烷传感器2发送读取命令，从甲烷传感器2读取的浓度数据不会直接通过GPRS模块3发送到监控中心11，而是经过内部的数据平均、温湿度补偿后暂时存入FLASH存储器。当定时时间到时，主控芯片1会将处理后的数据从数据存储器读出并打包，最后通过GPRS模块3发送至监控中心11；主控芯片1除完成甲烷气体浓度的读出、存储和发送之外，还需获取传感器2的温度信息和锂亚电池的电量信息，与气体浓度数据汇总后，完成存储和定时发送。基于本装置的低功耗设计，甲烷传感器2始终处于间歇工作状态，其状态切换将由主控芯片通过低功耗适时断电休眠单元8来完成。同样，GPRS模块3大部分时间会处于休眠状态，同样主控芯片1会通过低功耗适时断电休眠单元8给其提供一个闹钟唤醒信号，以便其及时苏醒，完成与主控芯片1通信、连接无线网络和发送数据任务。

以上详细阐述了装置的工作流程，但是本实用新型并不局限于此一种工作方式，如在供电方便的地方可以让传感器始终处于工作状态。

需要进一步说明的是，本装置可以工作在多种模式下，其中两种主要模式分别是通常模式和事故模式。在通常模式下，主控芯片1会按照RTC时钟单元9提供的固有时序进行开启和休眠。在开启的状态下，主控芯片1会根据预设程序分别对甲烷传感器2、GPRS模块3进行开启和数据采集、发送等操作。在通常模式下，甲烷传感器2每隔半小时会被唤醒一次，每次工作3分钟；GPRS模块3每隔12小时被唤醒一次，整个装置的数据采集、存储、补偿、发送以及接收来自监控中心的命令都会在一个工作时隙内完成，。当装置检测到甲烷浓度的改变大于预设的阈值时，系统将自动进入事故模式，此时甲烷传感器2将保持持续唤醒状态，不断向主控芯片传递浓度数据。同时，GPRS模块3将每分钟或每半分钟向监控中心11发送实时浓度数据，以保证监控中心对事故事态严重性的准确判断。

本装置作为甲烷监测终端，是通过GPRS移动网络与监控中心建立连接。将本监测终端单元放置于重点监控地点，可方便的形成甲烷浓度监测网络，实现城市管网、输气输油管道等重点高危区域的分布式监控。

Claims (9)

1.低功耗地下甲烷监测装置，其特征在于，该低功耗地下甲烷监测装置包括主控芯片，甲烷传感器，GPRS模块和RTC实时时钟单元，该RTC实时时钟单元连接于该主控芯片，采用定时和中断功能关闭和唤醒该主控芯片，该甲烷传感器置于待监测环境中，当环境中发生甲烷浓度变化时，该甲烷传感器将浓度数据传输给该主控芯片，该GPRS模块连接于该主控芯片，该主控芯片在唤醒状态下周期性的向该甲烷传感器发送读取命令，并将从该甲烷传感器读取的浓度数据经过处理后暂时存入数据存储器，当定时时间到时，该主控芯片将处理后的数据从数据存储器读出并打包，通过该GPRS模块发送至监控中心。

2.根据权利要求1所述的低功耗地下甲烷监测装置，其特征在于，该低功耗地下甲烷监测装置还包括电池单元、传感器供电芯片、GPRS模块供电芯片、主控供电芯片，该电池单元连接于该传感器供电芯片、该GPRS模块供电芯片和该主控供电芯片，为该传感器供电芯片、该GPRS模块供电芯片和该主控供电芯片提供电源，该传感器供电芯片连接于该甲烷传感器，并为该甲烷传感器供电，该GPRS模块供电芯片连接于该GPRS模块，并为该GPRS模块供电，该主控供电芯片连接于该主控芯片，并为该主控芯片供电。

3.根据权利要求2所述的低功耗地下甲烷监测装置，其特征在于，该主控芯片还包括了片上ADC，该片上ADC测量该电池单元的电压，通过放电曲线，得出该电池单元的电量。

4.根据权利要求3所述的低功耗地下甲烷监测装置，其特征在于，该主控芯片还获取该甲烷传感器的温度信息和该电池单元的电量信息，与浓度数据汇总后，进行存储和定时发送。

5.根据权利要求1所述的低功耗地下甲烷监测装置，其特征在于，该主控芯片采用ARM7芯片，该主控芯片将从该甲烷传感器读取的浓度数据经过内部的数据平均、温湿度补偿后暂时存入数据存储器。

6.根据权利要求1所述的低功耗地下甲烷监测装置，其特征在于，该低功耗地下甲烷监测装置还包括低功耗适时断电休眠单元，该低功耗适时断电休眠单元连接于该主控芯片，该主控芯片通过该低功耗适时断电休眠单元唤醒该甲烷传感器和该GPRS模块。

7.根据权利要求1所述的低功耗地下甲烷监测装置，其特征在于，该甲烷传感器的气室采用三面镂空设计。

8.根据权利要求1所述的低功耗地下甲烷监测装置，其特征在于，该RTC实时时钟单元采用的芯片型号为PCF8563。

9.根据权利要求1所述的低功耗地下甲烷监测装置，其特征在于，该GPRS模块采用的芯片型号为SIM900A。