CN206161041U - 一种基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点，包括用于采集测量环境中气体的气体传感部分；用于采集测量环境中温湿度的环境温湿度参数传感部分；用于采集环境气压的环境气压传感部分；用于读取各传感部分的采集数据，并进行存储和分析处理的核心处理部分；用于实现核心处理部分与外部设备的数据传输的蓝牙通信部分；用于给系统各部分供电的系统供电部分。本实用新型可以不间断地获取周围环境中常见工业气体及工业排放物的含量，并可采集辅助的温湿度及气压数据。节点还可方便地利用移动智能设备上的蓝牙进行访问，具有结构简单、布设方便、安置迅速、成本低廉、功耗低、无需外部供电及对移动智能设备支持度好等优点。

Description

一种基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点

技术领域

本实用新型涉及一种适用于工业局域环境气体监测的节点。该节点可以对工业生产企业或其他工业应用场合中局部区域内的气体进行数据监测与采集，并可以通过蓝牙通信的方式被移动智能设备等外部设备访问。

背景技术

近年来随着我国工业现代化的发展，工业环境监测及工业危害防治日益受到社会重视。在一些工业生产过程中，会产生并排放一些对人体有害的气体。用于工业生产的化工气体泄漏也会带来不良的后果。所以有必要对工业生产环境中的工业气体进行监测。尤其是在一些工业事故处理或应急处置当中，也需要快速地对环境中的工业气体的含量进行快速实时地监测。在对工业环境气体的监测中，局域监测十分重要。局域气体的监测值不仅可以用于分布式环境监测及数据采集，而且还可用于对特定位置的有侧重的独立观测。另外在对局域工业气体的环境监测中，往往还希望系统满足结构简单、布设方便、安置迅速、成本低廉、功耗低、无需外部供电及对移动智能设备支持度好等条件。

在对工业场合的气体监测中，多采用节点-上位机方式。节点负责监测数据的采集及发送，上位机负责数据的处理等。这一结构的好处是将复杂的后处理工作置于上位机中，这不仅可以简化节点的结构，也可以节省节点的成本、提升节点工作的可靠性。节点与上位机进行数据交互的方式可分为有线及无线两种方式。在有线方式中，节点利用CAN总线、RS485总线、以太网或FDDI光纤总线等方式与上位机进行通信。有线方式需要铺设线路，架设成本高、建设周期长、难以实现快速地布设与维护。近年来无线数据传输方式得到了蓬勃的发展。节点通过GPRS、3G、4G或者ZigBee等方式与上位机之间实现通信。但是如果采用GPRS、3G或者4G通信方式时，必须要有移动网络的支持。但是在一些工业场合中由于厂区位置或车间电磁干扰等因素难以接收到移动网络的信号或信号较差，这使得该类型的传输方式应用受限。另外基于移动网络的通信方式中通信模块的较高成本也是一个需要重视的问题。如果采用ZigBee为基础构建节点的数据传输通道，其难以与近年来蓬勃发展的移动智能设备兼容。如果要令节点发来的ZigBee数据被移动智能设备接收，则需要额外设立网关或服务器进行对应处理。这不仅增加了成本，而且还提高了系统复杂度。

近年来蓝牙技术得到了飞速的发展。随着蓝牙4.0/BLE规范的提出与应用，符合蓝牙4.0/BLE规范设备的设备功耗得到了较大程度的降低(在一些情况下使用纽扣电池即可工作数年之久)，其成本也得到了一定程度的下降。此外符合蓝牙4.0/BLE标准的设备还具有延迟低、有效连接距离长、支持AES-128加密与对移动智能设备支持好等优点，有望在无线监测领域得到较好的推广应用。近年来随着半导体技术与传感器技术的发展，低功耗嵌入式系统与具有较高集成度的气体传感器有望使工业环境气体监测的成本与集成度得到较大程度的优化。基于蓝牙4.0/BLE技术、低功耗嵌入式技术与新型气体传感器技术，可实现高集成度、布设方便、能耗低且对移动设备有较好支持的工业气体环境监测节点。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对在工业场合中对局域环境区间上的工业气体含量进行监测的需求，通过监测节点采集工业上使用或排放的氧气、一氧化碳、环氧乙烷、氢气、硫化氢、二氧化氮、一氧化氮及二氧化硫八种气体的浓度，为小型化、智能化的工业环境气体监测提供工程化的支持。节点需能独立自主工作，并能够支持移动智能设备访问。此外该局域工业环境气体监测节点还需满足结构简单、布设方便迅速、低功耗及无需外部供电等要求。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点，其特征在于：包括

用于采集测量环境中气体的气体传感部分；

用于采集测量环境中温湿度的环境温湿度参数传感部分；

用于采集环境气压的环境气压传感部分；

用于读取各传感部分的采集数据，并进行存储和分析处理的核心处理部分；

用于实现核心处理部分与外部设备的数据传输的蓝牙通信部分；

用于给系统各部分提供不需要外部电源输入的稳定供电的系统供电部分。

优选地，还包括用于容纳系统各部分、防止其受潮的防水箱。

优选地，所述气体传感部分包括氧气传感器模块、一氧化碳传感器模块、环氧乙烷传感器模块、氢气传感器模块、硫化氢传感器模块、二氧化氮传感器模块、一氧化氮传感器模块及二氧化硫传感器模块。

优选地，所述环境温湿度参数传感部分为温湿度一体式传感器。

优选地，所述核心处理部分为依照设定的间隔读取各传感器部分的数据，并将数据进行存储和分析处理后，通过蓝牙通信部分发出给外部设备的单片机。

优选地，所述系统供电部分为铅酸电池。

优选地，所述铅酸电池连接高低压转换模块，高低压转换模块通过去耦电容与系统各部分连接供电。

优选地，所述防水箱表面贴敷有可供移动智能设备扫描的、能提供其接入节点所需的蓝牙信息的二维码。

本实用新型结合蓝牙4.0/BLE技术、低功耗嵌入式技术与新型气体传感器技术，形成可以对工业区域局部环境下常见工业用气体及工业排放气体进行监测，支持移动智能设备访问、低成本、低功耗、易安装维护并可独立工作的数据监测节点。

本实用新型提供了一种可用于工业局域气体监测的节点设计。该节点可以不间断地获取周围环境中常见工业气体及工业排放物的含量，并可采集辅助的温湿度及气压数据。节点还可方便地利用移动智能设备上的蓝牙进行访问。其可为工业过程监测、工业危害事故处理、环境治理等领域的相关需求提供具有结构简单、布设方便、安置迅速、成本低廉、功耗低、无需外部供电及对移动智能设备支持度好等优点的工程支持。

附图说明

图1：基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点原理示意图；

图2：RN4020与PIC16LF1947的连接方式；

图3：各气体传感器模块与PIC16LF1947的连接方式；

图4：SHT11与PIC16LF1947的连接方式；

图5：MPL3115A2 PIC16LF1947的连接方式；

图6：系统供电部分结构。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

图1为本实施例提供的基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点原理示意图，所述的基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点由核心处理部分、蓝牙通信部分、气体传感部分、环境温湿度参数传感部分、环境气压传感部分、系统供电部分及防水箱组成。

核心处理部分选用低功耗8位单片机。核心处理部分主要负责节点的管理，其由低功耗单片机及其外围电路组成。低功耗单片机在工作中依照固定的时间间隔读取传感器数据，并将数据存储在单片机的内部存储空间中。当有移动智能设备接入节点、通过蓝牙模块向低功耗单片机发送读取请求后，低功耗单片机将采集到的数据通过蓝牙模块发出，并在传输完成后将存储空间中的数据清零。单片机还负责监测系统供电，如系统供电过低，则发出告警请求。低功耗单片机推荐选用在有一定电磁干扰环境下具有较高工作可靠性的8位单片机。其还应具有较好的AD转换性能和较为完备的接口，以便连接传感器及外部设备。

蓝牙通信部分选用支持蓝牙4.0/BLE规范的蓝牙通信模块。蓝牙通信部分承担节点与移动设备之间的通信，蓝牙通信模块应选择完整支持蓝牙4.0/BLE规范的模块。为了简化系统的结构，推荐使用具有UART、I2C接口的模块。通常希望移动智能设备与节点之间有一定距离。所以模块的正常传输距离宜大于10m。

气体传感部分由可产生易于被单片机采集数据输出的氧气传感器模块、一氧化碳传感器模块、环氧乙烷传感器模块、氢气传感器模块、硫化氢传感器模块、二氧化氮传感器模块、一氧化氮传感器模块及二氧化硫传感器模块组成。为了简化维护工作，推荐使用稳定工作寿命大于3个月的气体传感器模块。模块还应具备校准功能，以便平衡由于传感器长时期工作所引起的材料老化所带来的误差。另外在实现中推荐使用有稳定模拟电压输出的传感器模块，以便方便被单片机采集，并易于实现传感器根据实际应用场合的调整。

环境温湿度参数传感部分用于采集测量环境中的温湿度，以便系统维护与管理。环境温湿度参数传感部分应尽可能选择温湿度一体式传感器，传感器最好具有UART或I2C等数字输出，最好为表帖封装形式，以便实现高集成度的节点设计。

环境气压传感部分用于采集环境气压，以便提供测量环境的气压参考值。环境气压传感部分用于监测环境气压，推荐选用具有UART、12C接口的气压传感模块。模块应尽可能小型化，以便与核心处理部分集成在同一块PCB板上。

系统供电部分用于给系统提供不需要外部电源输入的稳定供电。由于铅酸电池具有较高的稳定度与可靠性，所以系统选用铅酸电池作为系统供电。铅酸电池的输出通过DC-DC方式变换到较低的电压值上，之后通过LDO的方式为系统各部分提供稳定低噪声的供电。在系统各模块的电压输入端，应布置去耦电容以进一步提高供电质量。当核心处理部分的单片机发现铅酸电池输出电压较低时，单片机驱动一蜂鸣器进行报警。

防水箱用于容纳以上电路与传感器部分。在其表面贴敷一个可供移动智能设备扫描的二维码以便提供其接入节点所需的蓝牙信息。

系统的主要功能组合如下：

[1]系统上电后，核心处理部分中的单片机对分压后的铅酸电池输出电压进行采样。如果输出电压正常，则进入数据采集过程；否则通过蜂鸣器发出报警信号。

[2]在单片机的内部存储空间中划出一数据存储区域，并初始化一个数据指针指向该存储空间的开始处。单片机还设置一个采样间隔，并依照该采样间隔读取传感器数据。

[3]开始进行数据获取，并将获取后得到的数据依次放入存储空间中。并将数据指针执行加一操作。如果数据指针到达存储空间的结尾处，则将其重定向到数据空间的开始处，这样下一次采集到的数据将覆盖较旧的数据。

[4]每一次数据获取结束后检查铅酸电池的输出电压，如果输出电压低于阈值，则通过蜂鸣器报警。

[5]当有智能设备通过蓝牙与节点连接后，节点依次将传感器监测数据按照从新到旧的顺序通过蓝牙发往智能设备。如果发送成功，则将数据空间清零，数据指针重新指向数据空间的开始位置。如果发送被异常中断，则数据空间不清零，数据指针的位置也不变化。当发送成功或传输异常中断后，单片机等待一个采样间隔对应的时长后开始下一次采样。

在某一具体实施例中，核心处理部分的单片机选择微芯公司出品的PIC16LF1947单片机。PIC16LF1947为采用nanoWatt XLP技术的64引脚8位CMOS闪存单片机。其具有较低的功耗，具有较好的抗电磁干扰特性。其内还可提供两个支持SPI和I2C的主同步串行端口及两个与RS-232、RS-485、LIN兼容、可自动波特率检测增强型通用同步/异步收发器。在实施中，PIC16LF1947单片机采用3.3V供电，在供电引脚处设置一0.1uF的0805封装的表贴陶瓷电容用于去耦。PIC16LF1947单片机的工作时钟采用其内部振荡器，工作频率设定为16MHz。实施中PIC16LF1947选用TQFP-64封装。数据采样间隔设定为128秒。

节点中蓝牙模块选择微芯公司出品的RN4020蓝牙模块，该模块满足蓝牙4.0/BLE规范设备的要求。模块采用GFSK调制方式，最大传输速率为1Mbps，最大传输距离可达到100米。RN4020与PIC16LF1947的连接方式如图2所示。(括号中为该元件的管脚号，下同)

节点上氧气传感器、一氧化碳传感器、环氧乙烷传感器、氢气传感器、硫化氢传感器、二氧化氮传感器、一氧化氮传感器及二氧化硫传感器分别选择城市技术公司出品的4OXV、4CM、4ETO、4HYT、4HS+、4ND、4NT、4S Rev2。上述传感器使用城市技术公司B30X-L5系列的4系引线板连接到城市技术公司生产的0.4-2.0V电压输出智能变送传输板上，形成对应的传感器模块。智能变送传输板根据传感器测量值产生的电压输出供PIC16LF1947单片机进行AD采集。AD采样中PIC16LF1947的采样精度为10位，参考电压设定为2.048V。各气体传感器模块与PIC16LF1947的连接方式如图3所示。

环境温湿度传感器选择瑞士SENSIRION公司生产的SHT11温湿度传感器，该传感器具有较低的功耗及卓越的长期稳定性。其可提供12位分辨率的湿度数据及14位分辨率的温度数据。SHT11在节点中使用3.3V供电，在其供电引脚处设置一0805封装、100nF的电容。SHT11与PIC16LF1947连接的数据线需用阻值10KΩ、0805封装的电阻进行上拉。该传感器与PIC16LF1947的连接方式如图4所示。

环境气压传感器采用飞思卡尔MPL3115A2，其测量范围为20kPa到110kPa。该传感器可以将环境气压数据通过I2C接口发往PIC16LF1947。MPL3115A2在节点中使用3.3V供电，在其供电引脚处设置一0805封装、0.1uF的电容。MPL3115A2与PIC16LF1947连接的数据线需用阻值10KΩ、0805封装的电阻进行上拉。MPL3115A2 PIC16LF1947的连接方式如图5所示。

系统供电选用赛特12V12AH BT-12M12AC免维护铅酸蓄电池。蓄电池的输出通过LM2596-5型DC-DC芯片加以转换，得到5.0V输出电压。该5.0V电压可以给各气体传感器模块的智能变送传输板使用。由于该传输板上已经设有电压滤波等部分，所以不需要设置额外的滤波去耦器件。LM2596-5型DC-DC芯片输出的5.0V电压还通过LM1117-3.3芯片输出3.3V电压，从而为PIC16LF1947、SHT11、MPL3115A2提供供电。铅酸电池的输出还需要经过10KΩ：100KΩ的电阻分压被PIC16LF1947进行AD采集，分压电阻为0805封装，精度为1％的表帖电阻。当铅酸电池输出电压小于11V时PIC16LF1947通过导通有源蜂鸣器串联的三极管进行低电压报警。三极管采用TO92封装的8050三极管，蜂鸣器串联电阻为100Ω。系统供电部分结构如图6所示。

节点防水箱采用斯普威尔外形尺寸为250cm×360cm×150cm的合页型带扣防水盒。节点的电路部分置于该防水箱中。在其表面贴敷一个边长10cm的正方形的可供移动智能设备扫描的QR编码格式的二维码以便提供其接入节点所需的蓝牙信息。二维码中写入蓝牙ID及节点ID。

Claims (8)

1.一种基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点，其特征在于：包括

用于采集测量环境中气体的气体传感部分；

用于采集测量环境中温湿度的环境温湿度参数传感部分；

用于采集环境气压的环境气压传感部分；

用于读取各传感部分的采集数据，并进行存储和分析处理的核心处理部分；

用于实现核心处理部分与外部设备的数据传输的蓝牙通信部分；

用于给系统各部分提供不需要外部电源输入的稳定供电的系统供电部分。

2.如权利要求1所述的一种基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点，其特征在于：还包括用于容纳系统各部分、防止其受潮的防水箱。

3.如权利要求1所述的一种基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点，其特征在于：所述气体传感部分包括氧气传感器模块、一氧化碳传感器模块、环氧乙烷传感器模块、氢气传感器模块、硫化氢传感器模块、二氧化氮传感器模块、一氧化氮传感器模块及二氧化硫传感器模块。

4.如权利要求1所述的一种基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点，其特征在于：所述环境温湿度参数传感部分为温湿度一体式传感器。

5.如权利要求1所述的一种基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点，其特征在于：所述核心处理部分为依照设定的间隔读取各传感器部分的数据，并将数据进行存储和分析处理后，通过蓝牙通信部分发出给外部设备的单片机。

6.如权利要求1所述的一种基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点，其特征在于：所述系统供电部分为铅酸电池。

7.如权利要求6所述的一种基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点，其特征在于：所述铅酸电池连接高低压转换模块，高低压转换模块通过去耦电容与系统各部分连接供电。

8.如权利要求2所述的一种基于蓝牙技术的局域工业环境气体监测节点，其特征在于：所述防水箱表面贴敷有可供移动智能设备扫描的、能提供其接入节点所需的蓝牙信息的二维码。