CN206649654U - 一种无线传感雾霾监测节点 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种无线传感雾霾监测节点,包括中央处理芯片,分别与中央处理芯片相连的调理电路、显示模块、无线通信模块和报警模块,分别与调理电路相连的SO2气体传感器、NO2气体传感器和温湿度传感器,以及为各模块供电的电源管理模块;无线通信模块为Zigbee通信模块,电源管理模块包括供电电路、充电电路和电量检测电路,电量检测电路分别与供电电路和充电电路相连;中央处理芯片用于接收监测数据,将监测数据显示于显示模块,并将超过预设阈值的监测数据通过报警模块进行报警,以及通过无线通信模块将监测数据传输给PC 监测中心与手持智能监测终端。不仅实现低功耗、高网络覆盖率,而且监测范围大,可进行区域监测。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种监测节点,特别是涉及一种无线传感雾霾监测节点,属于大气探测技术领域。
背景技术
近年来,我国大部分城市均出现了严重的雾霾天气,对人们生活和健康产生了严重影响。雾霾的主要成因是SO2、NO2以及 PM2.5,同时SO2、NO2两种气体也是大气污染物的主要成分。作为我国雾霾较严重区域之一的京津冀地区,近几年更是雾霾频发,相关组织和研究人员对该地区进行污染源行业统计,建立大气污染源排放清单,得出了火电、工业能源、民用能源、工业生产、无组织源等不同行业的各大气污染物排放量,认为燃煤源、汽车移动源和稻秆燃烧是京津冀地区大气污染物的主要来源。同时,另一方面是自然源产生的污染;在诸如地热活动、生物分解、土壤风化等过程中,有的过程会释放硫化氢气体,其进入空气后会被氧化成SO2。
所以,对大气环境进行有效监测是非常必要的;然而,现有的雾霾监测技术却存在功耗高、网络覆盖率低等问题,以至于不能使相关人员第一时间发现污染源头并及时进行预警和处理。因此,在雾霾发生频率不断增加的当下,组建低功耗、高网络覆盖率的监测系统是有益之举。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于,克服现有技术中的不足,提供一种无线传感雾霾监测节点,不仅实现低功耗、高网络覆盖率,而且监测范围大,可进行区域监测。
为了达到上述目的,本实用新型所采用的技术方案是:
一种无线传感雾霾监测节点,包括中央处理芯片,分别与中央处理芯片相连的调理电路、显示模块、无线通信模块和报警模块,分别与调理电路相连的SO2气体传感器、NO2气体传感器和温湿度传感器,以及为各模块供电的电源管理模块;
所述无线通信模块为Zigbee通信模块,所述电源管理模块包括供电电路、充电电路和电量检测电路,所述电量检测电路分别与供电电路和充电电路相连;
所述供电电路为提供220V市电的外接电源供电电路,所述充电电路连接于外接电源供电电路和蓄电池之间、用于将220V市电转化为12V、5V和3.3V三种不同输出电压为蓄电池进行充电,充电电路包括220V转成12V的第一电压转换电路、12V转成5V的第二电压转换电路、5V转成3.3V的第三电压转换电路和蓄电池充电电路;
所述SO2气体传感器、NO2气体传感器和温湿度传感器用于分别采集当前环境的SO2气体浓度、NO2气体浓度和温湿度共三种监测数据,并将采集到的电量信号形式的监测数据传输给调理电路;
所述调理电路用于将电量信号形式的监测数据转化为标准电压信号形式的监测数据后传输给中央处理芯片;
所述中央处理芯片用于接收标准电压信号形式的监测数据,将监测数据显示于显示模块,并将超过预设阈值的监测数据通过报警模块进行报警,以及通过无线通信模块将监测数据传输给PC 监测中心与手持智能监测终端以供PC 监测中心与手持智能监测终端进行远程监控。
本实用新型进一步设置为:所述SO2气体传感器采用7ST/F 电化学二氧化硫传感器,所述NO2气体传感器采用5ND 电化学二氧化氮传感器。
本实用新型进一步设置为:所述调理电路包括恒电位调理电路和信号调理电路,所述7ST/F 电化学二氧化硫传感器通过恒电位调理电路与中央处理芯片相连,所述5ND 电化学二氧化氮传感器通过信号调理电路与中央处理芯片相连;
所述恒电位调理电路包括电压跟随器LM124、运算放大器MAX4238及J型场效应晶体管SST177,参比电位通过电压跟随器LM124后经过电阻R01、R02连接到运算放大器MAX4238的反相端,运算放大器MAX4238的正相端经过电阻R04连接至2.2V电平,运算放大器MAX4238的输出端通过依次串联的电容C01和电阻R02与其反相端进行连接,J型场效应晶体管SST177的输入端连接参比电位,J型场效应晶体管SST177的输出端经过电阻R03连接至5V电平;
所述信号调理电路采用单电源供电方式的电流信号检测电路,包括电流转换电压电路及电压信号放大电路;
电流转换电压电路中电路零电位采用2.5V基准源进行模拟,传感器工作时输出的电流I经过I-V转换电路转换为标准电压信号V1;I-V转换电路包括运算放大器MAX4240,并联于运算放大器MAX4240的电容C1和电阻R3;
电压信号放大电路包括运算放大器U2A、运算放大器U2B、运算放大器U2C和运算放大器U2D;运算放大器U2A的正相端与运算放大器MAX4240的输出端相连,运算放大器U2A的负相端通过电阻R4与运算放大器U2A的输出端相连,运算放大器U2A的输出端通过电阻R6与运算放大器U2B的负相端相连,运算放大器U2B的负相端通过电阻R7与运算放大器U2B的输出端相连,运算放大器U2B的正相端通过电阻R9与运算放大器U2C的输出端相连、并通过电阻R10接地,运算放大器U2A的负相端通过依次串联的电阻R5和电阻R11与运算放大器U2C的负相端相连,运算放大器U2C的输出端通过电阻R12与运算放大器U2C的负相端相连,运算放大器U2C的正相端通过依次串联的调节电阻R14和电阻R13接地、并与运算放大器U2D的输出端相连,运算放大器U2D的正相端连接至2.5V电平,运算放大器U2D的负相端与调节电阻R14的调节端相连。
本实用新型进一步设置为:所述温湿度传感器采用AM2301传感器,所述AM2301传感器通过单总线与中央处理芯片的数据输出端口进行数据通信,中央处理芯片的数据输出端口和5V工作电压端口之间串联有上拉电阻。
本实用新型进一步设置为:所述中央处理芯片采用基于ARM Cortex-M3内核结构的STM32f103zet6芯片。
本实用新型进一步设置为:所述无线通信模块采用型号为SZ05-ADV的ZigBee通信模块。
本实用新型进一步设置为:所述第二电压转换电路采用LM2596S-5芯片,LM2596S-5芯片的输入端经过22uH电感L2连接有12V稳定电压、并通过电容C06接地、以及通过电容C07接地,LM2596S-5芯片的输出端经过33uH电感L3输出5V稳定电压,33uH电感L3的输入端通过稳压二极管SS34接地、输出端通过电容C08接地。
本实用新型进一步设置为:所述第三电压转换电路采用LM1117-3.3芯片,LM1117-3.3芯片的输入端连接5V稳定电压、并通过电容C23接地、以及通过电容C24接地,LM1117-3.3芯片的输出端输出3.3V稳定电压、并通过电容C25接地。
本实用新型进一步设置为:所述蓄电池充电电路采用CN3717芯片,CN3717芯片的外部电源输入端VCC连接有12V稳定电压、并通过电容C18与内部电压调制器输出VG管脚相连,CN3717芯片的DRV管脚驱动片外P沟道MOS场效应晶体管AO3407的栅极,CN3717芯片的BAT管脚和CSP管脚测量充电电流检测电阻R30两端的电压、并将此电压信号反馈给芯片进行电流调制,CN3717芯片的回路补偿输入端COM1、COM2、COM3分别通过电容C14、串联电阻R33和电容C16、电容C12接地,CN3717芯片的漏极开路输出端/CHGR在涓流充电、恒流充电和过充电状态时通过内部晶体管从高阻状态被拉到低电平,CN3717芯片的漏极开路输出端/DONE在浮充电状态时通过内部晶体管从高阻状态被拉到低电平。
与现有技术相比,本实用新型具有的有益效果是:
本实用新型提供的无线传感雾霾监测节点,通过中央处理芯片、调理电路、显示模块、无线通信模块、报警模块、SO2气体传感器、NO2气体传感器、温湿度传感器和电源管理模块的设置,其中无线通信模块为Zigbee通信模块,电源管理模块包括供电电路、充电电路和电量检测电路,实现基于无线传感网的雾霾监测,不仅低功耗、高网络覆盖率,而且监测范围大,可进行区域监测;同时SO2气体和NO2气体的采集操作简单,重复性好,不易受环境的干扰,可以实现实时监测;并能支持多种网络拓扑结构,具有抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性,从而实现多设备间的数据透明传输。
上述内容仅是本实用新型技术方案的概述,为了更清楚的了解本实用新型的技术手段,下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。
附图说明
图1为本实用新型的结构框图;
图2为本实用新型的应用场景示意图;
图3为本实用新型中恒电位调理电路的电路图;
图4为本实用新型中信号调理电路的电路图;
图5为本实用新型中温湿度传感器的接口电路图;
图6为本实用新型中12V转成5V的第二电压转换电路的电路图;
图7为本实用新型中5V转成3.3V的第三电压转换电路的电路图;
图8为本实用新型中蓄电池充电电路的电路图;
图9为本实用新型中Zigbee通信模块的接口电路图。
具体实施方式
下面结合说明书附图,对本实用新型作进一步的说明。
如图1所示的一种无线传感雾霾监测节点,包括中央处理芯片,分别与中央处理芯片相连的调理电路、显示模块、无线通信模块和报警模块,分别与调理电路相连的SO2气体传感器、NO2气体传感器和温湿度传感器,以及为各模块供电的电源管理模块。
所述SO2气体传感器、NO2气体传感器和温湿度传感器用于分别采集当前环境的SO2气体浓度、NO2气体浓度和温湿度共三种监测数据,并将采集到的电量信号形式的监测数据传输给调理电路。
所述调理电路用于将电量信号形式的监测数据转化为标准电压信号形式的监测数据后传输给中央处理芯片。
所述中央处理芯片用于接收标准电压信号形式的监测数据,将监测数据显示于显示模块,并将超过预设阈值的监测数据通过报警模块进行报警,以及通过无线通信模块将监测数据传输给PC 监测中心与手持智能监测终端以供PC 监测中心与手持智能监测终端进行远程监控,如图2所示。
所述中央处理芯片是硬件系统的核心,优选采用基于ARM Cortex-M3内核结构的STM32f103zet6芯片。该芯片为32位微处理器芯片,其主频为72MHz,处理能力达1.25DMips/MHz,可满足高效高速的性能要求;同时,其工作电流仅为36mA,待机电流约为 2μA,可以大大降低系统功耗;而且集成了丰富的外设资源,包括Flash存储空间,80个灵活配置的快速I/O 端口;拥有多达13 个通信接口,可以满足绝大多数要求;拥有多达 11 路各种定时器包括基本定时器、通用定时器及 6 通道的高级定时器等。
所述SO2气体传感器采用7ST/F 电化学二氧化硫传感器,所述NO2气体传感器采用5ND 电化学二氧化氮传感器,两种传感器均具有体积小、精度高、功耗低等优点。
对应不同的气体传感器设置相应的调理电路,所述调理电路包括恒电位调理电路和信号调理电路,所述7ST/F 电化学二氧化硫传感器通过恒电位调理电路与中央处理芯片相连,所述5ND 电化学二氧化氮传感器通过信号调理电路与中央处理芯片相连。
如图3所示,所述恒电位调理电路包括电压跟随器LM124、运算放大器MAX4238及J型场效应晶体管SST177,参比电位通过电压跟随器LM124后经过电阻R01、R02连接到运算放大器MAX4238 的反相端,运算放大器MAX4238的正相端经过电阻R04连接至2.2V电平,运算放大器MAX4238的输出端通过依次串联的电容C01和电阻R02与其反相端进行连接,J型场效应晶体管SST177的输入端连接参比电位,J型场效应晶体管SST177的输出端经过电阻R03连接至5V电平。
如图4所示,所述信号调理电路采用单电源供电方式的电流信号检测电路,包括电流转换电压电路及电压信号放大电路;
电流转换电压电路中电路零电位采用2.5V基准源进行模拟,传感器工作时输出的电流I经过I-V转换电路转换为标准电压信号V1;I-V转换电路包括运算放大器MAX4240,并联于运算放大器MAX4240的电容C1和电阻R3;电压信号放大电路包括运算放大器U2A、运算放大器U2B、运算放大器U2C和运算放大器U2D;运算放大器U2A的正相端与运算放大器MAX4240的输出端相连,运算放大器U2A的负相端通过电阻R4与运算放大器U2A的输出端相连,运算放大器U2A的输出端通过电阻R6与运算放大器U2B的负相端相连,运算放大器U2B的负相端通过电阻R7与运算放大器U2B的输出端相连,运算放大器U2B的正相端通过电阻R9与运算放大器U2C的输出端相连、并通过电阻R10接地,运算放大器U2A的负相端通过依次串联的电阻R5和电阻R11与运算放大器U2C的负相端相连,运算放大器U2C的输出端通过电阻R12与运算放大器U2C的负相端相连,运算放大器U2C的正相端通过依次串联的调节电阻R14和电阻R13接地、并与运算放大器U2D的输出端相连,运算放大器U2D的正相端连接至2.5V电平,运算放大器U2D的负相端与调节电阻R14的调节端相连。
如图5所示,所述温湿度传感器采用AM2301传感器,所述AM2301传感器通过单总线与中央处理芯片的数据输出端口进行数据通信,中央处理芯片的数据输出端口和5V工作电压端口之间串联有上拉电阻。
本实用新型监测节点的供电方式采用外接电源和蓄电池两种供电方式,通过电源管理模块为监测节点的各模块提供稳定的电压。所述电源管理模块包括供电电路、充电电路和电量检测电路,所述电量检测电路分别与供电电路和充电电路相连。
所述供电电路为提供220V市电的外接电源供电电路,所述充电电路连接于外接电源供电电路和蓄电池之间、用于将220V市电转化为12V、5V和3.3V三种不同输出电压为蓄电池进行充电,充电电路包括220V转成12V的第一电压转换电路、12V转成5V的第二电压转换电路、5V转成3.3V的第三电压转换电路和蓄电池充电电路。
如图6所示,所述第二电压转换电路采用LM2596S-5芯片,LM2596S-5芯片的输入端经过22uH电感L2连接有12V稳定电压、并通过电容C06接地、以及通过电容C07接地,LM2596S-5芯片的输出端经过33uH电感L3输出5V稳定电压,33uH电感L3的输入端通过稳压二极管SS34接地、输出端通过电容C08接地。
如图7所示,所述第三电压转换电路采用LM1117-3.3芯片,LM1117-3.3芯片的输入端连接5V稳定电压、并通过电容C23接地、以及通过电容C24接地,LM1117-3.3芯片的输出端输出3.3V稳定电压、并通过电容C25接地。
如图8所示,所述蓄电池充电电路采用CN3717芯片,CN3717芯片的外部电源输入端VCC连接有12V稳定电压、并通过电容C18与内部电压调制器输出VG管脚相连,CN3717芯片的DRV管脚驱动片外P沟道MOS场效应晶体管AO3407的栅极,CN3717芯片的BAT管脚和CSP管脚测量充电电流检测电阻R30两端的电压、并将此电压信号反馈给芯片进行电流调制,CN3717芯片的回路补偿输入端COM1、COM2、COM3分别通过电容C14、串联电阻R33和电容C16、电容C12接地,CN3717芯片的漏极开路输出端/CHGR在涓流充电、恒流充电和过充电状态时通过内部晶体管从高阻状态被拉到低电平,CN3717芯片的漏极开路输出端/DONE在浮充电状态时通过内部晶体管从高阻状态被拉到低电平。
所述无线通信模块为Zigbee通信模块,优选采用型号为SZ05-ADV的ZigBee通信模块,其接口电路如图9所示。
本实用新型的创新点在于,具有投入成本低、可靠性高、网络覆盖率高等特点,能够大大提升雾霾监测水平,实现对区域内污染气体的浓度、当前环境温湿度等信息进行实时监测和上传反馈,可为治理大气雾霾提供可靠的监测数据参考。
以上所述,仅是本实用新型的较佳实施例而已,并非对本实用新型作任何形式上的限制,虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容,依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种无线传感雾霾监测节点,其特征在于:包括中央处理芯片,分别与中央处理芯片相连的调理电路、显示模块、无线通信模块和报警模块,分别与调理电路相连的SO2气体传感器、NO2气体传感器和温湿度传感器,以及为各模块供电的电源管理模块;
所述无线通信模块为Zigbee通信模块,所述电源管理模块包括供电电路、充电电路和电量检测电路,所述电量检测电路分别与供电电路和充电电路相连;
所述供电电路为提供220V市电的外接电源供电电路,所述充电电路连接于外接电源供电电路和蓄电池之间、用于将220V市电转化为12V、5V和3.3V三种不同输出电压为蓄电池进行充电,充电电路包括220V转成12V的第一电压转换电路、12V转成5V的第二电压转换电路、5V转成3.3V的第三电压转换电路和蓄电池充电电路;
所述SO2气体传感器、NO2气体传感器和温湿度传感器用于分别采集当前环境的SO2气体浓度、NO2气体浓度和温湿度共三种监测数据,并将采集到的电量信号形式的监测数据传输给调理电路;
所述调理电路用于将电量信号形式的监测数据转化为标准电压信号形式的监测数据后传输给中央处理芯片;
所述中央处理芯片用于接收标准电压信号形式的监测数据,将监测数据显示于显示模块,并将超过预设阈值的监测数据通过报警模块进行报警,以及通过无线通信模块将监测数据传输给PC 监测中心与手持智能监测终端以供PC 监测中心与手持智能监测终端进行远程监控。
2.根据权利要求1所述的一种无线传感雾霾监测节点,其特征在于:所述SO2气体传感器采用7ST/F 电化学二氧化硫传感器,所述NO2气体传感器采用5ND 电化学二氧化氮传感器。
3.根据权利要求2所述的一种无线传感雾霾监测节点,其特征在于:所述调理电路包括恒电位调理电路和信号调理电路,所述7ST/F 电化学二氧化硫传感器通过恒电位调理电路与中央处理芯片相连,所述5ND 电化学二氧化氮传感器通过信号调理电路与中央处理芯片相连;
所述恒电位调理电路包括电压跟随器LM124、运算放大器MAX4238及J型场效应晶体管SST177,参比电位通过电压跟随器LM124后经过电阻R01、R02连接到运算放大器MAX4238 的反相端,运算放大器MAX4238的正相端经过电阻R04连接至2.2V电平,运算放大器MAX4238的输出端通过依次串联的电容C01和电阻R02与其反相端进行连接,J型场效应晶体管SST177的输入端连接参比电位,J型场效应晶体管SST177的输出端经过电阻R03连接至5V电平;
所述信号调理电路采用单电源供电方式的电流信号检测电路,包括电流转换电压电路及电压信号放大电路;
电流转换电压电路中电路零电位采用2.5V基准源进行模拟,传感器工作时输出的电流I经过I-V转换电路转换为标准电压信号V1;I-V转换电路包括运算放大器MAX4240,并联于运算放大器MAX4240的电容C1和电阻R3;
电压信号放大电路包括运算放大器U2A、运算放大器U2B、运算放大器U2C和运算放大器U2D;运算放大器U2A的正相端与运算放大器MAX4240的输出端相连,运算放大器U2A的负相端通过电阻R4与运算放大器U2A的输出端相连,运算放大器U2A的输出端通过电阻R6与运算放大器U2B的负相端相连,运算放大器U2B的负相端通过电阻R7与运算放大器U2B的输出端相连,运算放大器U2B的正相端通过电阻R9与运算放大器U2C的输出端相连、并通过电阻R10接地,运算放大器U2A的负相端通过依次串联的电阻R5和电阻R11与运算放大器U2C的负相端相连,运算放大器U2C的输出端通过电阻R12与运算放大器U2C的负相端相连,运算放大器U2C的正相端通过依次串联的调节电阻R14和电阻R13接地、并与运算放大器U2D的输出端相连,运算放大器U2D的正相端连接至2.5V电平,运算放大器U2D的负相端与调节电阻R14的调节端相连。
4.根据权利要求1所述的一种无线传感雾霾监测节点,其特征在于:所述温湿度传感器采用AM2301传感器,所述AM2301传感器通过单总线与中央处理芯片的数据输出端口进行数据通信,中央处理芯片的数据输出端口和5V工作电压端口之间串联有上拉电阻。
5.根据权利要求1所述的一种无线传感雾霾监测节点,其特征在于:所述中央处理芯片采用基于ARM Cortex-M3内核结构的STM32f103zet6芯片。
6.根据权利要求1所述的一种无线传感雾霾监测节点,其特征在于:所述无线通信模块采用型号为SZ05-ADV的ZigBee通信模块。
7.根据权利要求1所述的一种无线传感雾霾监测节点,其特征在于:所述第二电压转换电路采用LM2596S-5芯片,LM2596S-5芯片的输入端经过22uH电感L2连接有12V稳定电压、并通过电容C06接地、以及通过电容C07接地,LM2596S-5芯片的输出端经过33uH电感L3输出5V稳定电压,33uH电感L3的输入端通过稳压二极管SS34接地、输出端通过电容C08接地。
8.根据权利要求1所述的一种无线传感雾霾监测节点,其特征在于:所述第三电压转换电路采用LM1117-3.3芯片,LM1117-3.3芯片的输入端连接5V稳定电压、并通过电容C23接地、以及通过电容C24接地,LM1117-3.3芯片的输出端输出3.3V稳定电压、并通过电容C25接地。
9.根据权利要求1所述的一种无线传感雾霾监测节点,其特征在于:所述蓄电池充电电路采用CN3717芯片,CN3717芯片的外部电源输入端VCC连接有12V稳定电压、并通过电容C18与内部电压调制器输出VG管脚相连,CN3717芯片的DRV管脚驱动片外P沟道MOS场效应晶体管AO3407的栅极,CN3717芯片的BAT管脚和CSP管脚测量充电电流检测电阻R30两端的电压、并将此电压信号反馈给芯片进行电流调制,CN3717芯片的回路补偿输入端COM1、COM2、COM3分别通过电容C14、串联电阻R33和电容C16、电容C12接地,CN3717芯片的漏极开路输出端/CHGR在涓流充电、恒流充电和过充电状态时通过内部晶体管从高阻状态被拉到低电平,CN3717芯片的漏极开路输出端/DONE在浮充电状态时通过内部晶体管从高阻状态被拉到低电平。
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Legal Events
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GR01 | Patent grant | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171117 Termination date: 20190407 |
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