CN207147551U - 一种基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，包括温湿度采集模块、气体采集模块、粉尘监测模块、LoRa无线模块和主控处理器模块，温湿度采集模块、气体采集模块、粉尘监测模块分别将采集到的信号传输给主控处理器模块，主控处理器模块还与降尘除尘设备连接，主控处理器模块控制降尘除尘设备，LoRa无线模块与主控处理器模块连接，LoRa无线模块将主控处理器模块的信息发送给中控系统。本实用新型采用LoRa无线模块完美解决了传统方案无法同时兼顾距离、抗干扰性和功耗问题，实现了广域通信、低功耗、远距离、高容量、低成本、高抗干扰的数据传输。

Description

一种基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统

技术领域

本实用新型属于大气粉尘监测抑尘技术领域，尤其是涉及一种基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统。

背景技术

LoRa技术是一种远距离、低功耗、抗干扰性能极强的无线广域网扩频调制技术。它具有很高的灵活性，用户可以自行决定扩频调制带宽(470～510MHZ)、通讯速率(SF7～SF12)、和波特率(1200\2400\...\115200)，覆盖所有可用频段，而且每个扩频因子均呈正交分布，多个传输信号可以占用同一信道而互不干扰。LoRa模块采用了独特的CAD监听技术，解决了传统方案无法同时兼顾距离、抗干扰性和功耗问题。具有广域通信、低功耗、远距离、高容量、低成本、抗干扰等特性。城市环境中可达3km，空旷环境下可达15km；休眠电流0.2uA，接收电流12mA。

近年来大气中的颗粒物对人们的健康和大气环境造成了极其严重的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5、PM10等直径小、活性强、易附带有毒、有害物质(例如，重金属、微生物、有害气体等)，且在大气中的停留时间长、输送距离远，经研究大气的相对湿度值与PM2.5值之间呈显著反相关，当相对湿度属上升趋势时，PM2.5总体属下降趋势。国家现在对工业现场的废气粉尘排放也是越来越重视。因此对大气的有害气体(CO、SO2)、温湿度、固体小颗粒(PM2.5、PM10)等的监测与防护是势在必行。

目前，常用的无线空气监测系统多数是将系统安装在固定的监测位置，有效的监测大气中的有害气体与固体小颗粒，然后通过传统的无线通信技术WiFi、ZIGBEE、3G、4G等无线通讯技术将数据传输到中控系统，然后人们通过中控系统的数据采取相关的措施。此类无线空气质量监测系统的缺点是：

(1)抗干扰能力差：目前使用的无线监测系统无法适应于工业现场。现代工业生产现场常用的大功率电机、减速机、皮带滚筒、托辊等机械传动设备，都属于高压、变频设备，无线监测系统会受到非常强烈的电磁干扰，造成通讯失败；

(2)通讯距离短：ZIGEBEE的传输距离仅仅可以在50～200m距离通讯，WiFi更短，只有20～30m。而我们的中控系统距离现场一般都比较远，以WiFi和ZIGEBEE的通讯距离是远远达不到我们的期望；

(3)功耗过高：主控处理器就没有低功耗功能，加之通讯芯片也没有低功耗模式，所以系统的功耗非常大，只能采取外部供电的方式。然而有些现场供电难度较大，所以会导致系统不能安装；

(4)不能和抑尘等设备联动：目前的监测系统仅仅只是一个测量的系统，没有与现场使用的一些抑尘等设备进行联动。也就是说，当大气中的粉尘、有毒有害气体超标的时候也不能自动进行治理；

(5)适应现场能力差：这个主要体现在传感器上。由于工业现场的环境复杂，传感器会出现失灵、卡顿、坏死等现象，导致整个系统瘫痪；

(6)安装不够方便：WiFi监测需要路由器，路由器在现场容易遭到破坏，不利于安装，而3G、4G的信号塔也由于体积过大而不利于安装；

(7)成本高：虽然目前3G、4G技术的发展给工业现场通讯距离的提高带来了希望，但是它的运维成本过高也成了一个非常大的制约条件，一个信号塔每年的维护费用高达3～4万元。体积大、精度低、通讯距离短、抗干扰能力差、功耗大、安装不方便、适应工业现场能力差、不能和抑尘设备联动等不足。

发明内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种一种基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，以解决上述技术问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，包括温湿度采集模块、气体采集模块、粉尘监测模块、LoRa无线模块和主控处理器模块，温湿度采集模块、气体采集模块、粉尘监测模块分别将采集到的信号传输给主控处理器模块，主控处理器模块还与降尘除尘设备连接，主控处理器模块控制降尘除尘设备，LoRa无线模块与主控处理器模块连接，LoRa无线模块将主控处理器模块的信息发送给中控系统。

进一步的，气体采集模块包括SO2气体采集模块、CH4气体采集模块、CO气体采集模块中的至少一种。

进一步的，所述主控处理器模块采用单片机，单片机的型号为MSP430F149。

进一步的，温湿度采集模块采用AM2302型号的温湿度传感器，粉尘监测模块采用型号为GP2Y1050AU0F的粉尘传感器。

进一步的，所述LoRa无线模块的型号为2N717M91。

进一步的，LoRa无线模块的第二十二引脚与第一独石电容的一端连接，第一独石电容的另一端接地，LoRa无线模块的第二十二引脚与第一独石电容的连接节点与第一电感的一端连接，第一电感的另一端与第二独石电容的一端连接，第二独石电容的另一端接地，第一电感与第二独石电容的连接节点与SMA天线座的第一引脚连接，LoRa无线模块的第十九引脚、第十八引脚分别连接主控处理器模块。

进一步的，所述气体采集模块包括气敏传感器，气敏传感器与双电压比较器连接后与主控处理器模块连接。

进一步的，所述气体采集模块通过A/D转换接口模块与主控处理器模块连接。

进一步的，A/D转换接口模块的芯片型号为AD7705，A/D转换接口模块外接晶体振荡器、精密基准源和去耦电容，精密基准源包括基准源U4、第二十六电阻、第十八电容、第十九电容和第二电容，基准源的型号为TL431，基准源的第三引脚串联第二十六电阻，第二十六电阻的另一端接地，基准源的第二引脚接地，第十九电容的一端接电源VCC，其另外一端接地，基准源的第一引脚与第二引脚连接第二电容，基准源的第一引脚与第二电容正极连接，第十八电容与第二电容并联，基准源的第三引脚与第二十六电阻的连接节点与基准源的第一引脚连接；

第三晶振的第一引脚和第二引脚分别接第十六电容和第十七电容，第十六电容和第十七电容的连接节点接地，第三晶振的第一引脚和第二引脚分别接A/D转换接口模块的第二引脚和第三引脚，A/D转换接口模块的第十五引脚与第十六引脚之间并联设置有第十五电容和第一电容，A/D转换接口模块的第七引脚接气体采集模块的信号输出端，A/D转换接口模块的第八引脚、第十一引脚接地，A/D转换接口模块的第九引脚接基准源的第二引脚，A/D转换接口模块的第一、四、五、十二、十三、十四引脚分别连接主控处理器模块的输入输出口。

进一步的，还包括用于预警输出和报警输出的第一继电器和第二继电器，第一继电器、第二继电器的第一引脚和第二引脚之间分别并联第一二极管、第二二极管，第一继电器、第二继电器的第一引脚还分别与第一三极管、第二三极管的第三引脚相连，第一继电器、第二继电器的第三、第四、第五引脚分别连接到接线端子，接线端子与降尘除尘设备连接，第一继电器、第二继电器的第三引脚为公共端，第四引脚为常开引脚，第五引脚为常闭引脚，两个继电器分别采用三极管驱动；

第一三极管的第一引脚与第二引脚之间连接有第八电阻，第一三极管的第二引脚与第八电阻的连接节点与第七电阻的一端连接，第七电阻的另一端与主控处理器模块连接，第二三极管的第一引脚与第二引脚之间连接有第十电阻，第二三极管的第二引脚与第十电阻的连接节点与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端与主控处理器模块连接。

相对于现有技术，本实用新型所述的一种基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统具有以下优势：

(1)本实用新型采用LoRa无线模块完美解决了传统方案无法同时兼顾距离、抗干扰性和功耗问题，实现了广域通信、低功耗、远距离、高容量、低成本、高抗干扰的数据传输，同时实现了与降尘除尘等空气净化设备进行了联动，从源头降低大气中的有害颗粒物与气体的排放；

(2)本实用新型可以实时精准的对大气粉尘进行监测和抑尘，并将数据及时的传递给中控系统。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例的原理图；

图2为本实用新型实施例的工作流程图；

图3中的图a为主控处理器模块的芯片，图b为高速晶振电路，图c为低速晶振电路，图d为复位电路，图e为系统指示灯电路；

图4为本实用新型实施例所述的CO气体采集模块的电路图；

图5为本实用新型实施例所述的SO2气体采集模块的电路图；

图6为本实用新型实施例所述的CH4气体采集模块的电路图；

图7中图f为A/D转换接口模块的电路图，图g为精密基准源的电路图；

图8为本实用新型实施例所述的温湿度采集模块的电路图；

图9为本实用新型实施例所述的粉尘监测模块的电路图；

图10为本实用新型实施例所述的继电器电路；

图11为本实用新型实施例所述的LoRa无线通讯模块的电路图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1所示，一种基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，包括锂电池电源模块、5V转3.3V稳压模块、温湿度采集模块、SO2气体采集模块、CH4气体采集模块、CO气体采集模块、A/D转换接口模块、粉尘监测模块、LoRa无线模块和主控处理器模块等。锂电池电源模块的电压为5V，锂电池电源模块分别为为5V转3.3V稳压模块和温湿度采集模块供电。温湿度采集模块采集到的是数字信号，所以处理器可以对其直接可以进行处理，温湿度采集模块与主控处理器模块直接电连接。主控处理器模块还与降尘除尘设备连接，主控处理器模块控制降尘除尘设备。时间管理模块和电源管理模块分别与主控处理器模块电连接。

5V转3.3V稳压模块分别为SO2气体采集模块、CH4气体采集模块、CO气体采集模块供电，SO2气体采集模块、CH4气体采集模块、CO气体采集模块还分别与A/D转换接口模块，因为SO2气体采集模块、CH4气体采集模块、CO气体采集模块采集到的都是模拟信号，所以必须经过A/D转换接口模块转换为数字信号，才能交给主控处理器进行处理。粉尘监测模块为PM2.5、PM10颗粒浓度采集模块，PM2.5、PM10颗粒浓度采集模块通过usart串口直接与主控处理器模块发送信号。LoRa无线通讯模块与主控处理器模块直接采用AT指令的方式，通过usart串口进行配置参数和发送数据。主控处理器模块通过对采集到的数据进行运算，当有害气体或者固体小颗粒浓度超过一定值后，自动开启降尘除尘设备。

本实用新型的工作流程图如图2所示。首先系统上电进入到运行状态(如电源指示灯开启、系统的初始化、报警参数设置等等)；其次是进行SO2、CH4、CO等有害气体的检测；然后对大气中的固体小颗粒PM2.5、PM10等的检测；最后处理器通过对气体和粉尘的检测系统通过运算，然后进行自判断报警，并开启抑尘设备，直到空气质量达标以后，关闭降尘抑尘设备，净化大气中的有害有毒的粉尘。并将检测到的数据通过LoRa无线数据通讯模块发送到中控系统，中控系统通过对数据的进一步分析而做出相应的判断。

主控处理器模块电路是整个系统的核心，也是系统的大脑，如图3所示，就是主控处理器模块及外围电路模块。如图3中的图a所示，主控处理器模块选择的是TI公司设计生产的一款超低功耗的16位单片机MSP430F149，此单片机具有6组I/O口，每组8位，共48个多功能I/O，具有两路USART通信端口。外围电路模块主要包括由第十三电容C13、第十四电容C14、第一晶振Y1组成的高速晶振电路(如图3中的图b所示)，第一晶振Y1是8MHZ的高速晶体，第一晶振Y1的第一引脚和第二引脚分别接30pF的旁路电容第十三电容C13、第十四电容C14。如图3中的图c所示,第二晶振Y2组成低速晶振电路，第二晶振Y2是32.768KHZ的低速晶体，第二晶振Y2直接与单片机的XIN和XOUT引脚连接。第十四电阻R14、第十电容C10、第一开关RST1组成复位电路(如图3中的图d所示)，430单片机是低电平复位，所以复位电路接单片机的REST引脚串联按键接地，第十四电阻R14为上拉电阻，第十电容C10是去耦电容。第十一电阻R11、第二LED灯LED2串联组成系统指示灯电路(如图3中的图e所示)，指示灯由我们自己定义的，第二LED灯LED2的负极接单片机的I/O口，第十一电阻R11的一端接VCC，当I/O为低电平点亮。

CO气体采集模块的电路图如图4所示，CO气体采集模块包括CO气敏传感器，CO气敏传感器的型号为MQ-7B气敏传感器模块，用于检测室内一氧化碳浓度。CO气敏传感器的气敏元件有6只针状管脚，其中4个管脚用于信号输出，2个管脚用于提供加热电流。CO气敏传感器的第四管脚连接到双电压比较器LM393的第二引脚，CO气敏传感器表面的电阻Rs，是通过与其串联的第五电阻R5上的有效电压信号VR5输出而获得的，具体关系为Rs/R5＝(VCC-VR5)/VR5。根据不同浓度的气体有不同的阻值，转换为相应的电压信号输入到双电压比较器LM393，双电压比较器LM393的第一引脚输出相应的TTL高低电平，然后通过DOUT传输到主控处理器模块进行处理。CO气敏传感器的第一管脚、第二管脚、第三管脚均与电源VCC连接。CO气敏传感器的第五管脚与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端接地。CO气敏传感器的第六管脚与第四管脚的连接节点与第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端接地。CO气敏传感器的第六管脚与第四管脚的连接节点与双电压比较器LM393的第二引脚之间引出输出线AOUT与A/D转换接口模块连接。

双电压比较器LM393的第八引脚与第六电阻R6的一端连接，双电压比较器LM393的第八引脚与第六电阻R6的连接节点与电源VCC连接。第六电阻R6的另一端与第九发光二极管LED9的正极连接，第九发光二极管LED9的负极与双电压比较器LM393的第一引脚连接。

第二电位器RV2的可调节端与双电压比较器LM393的第三引脚连接，其另外两端分别接电源VCC和接地。第二电位器RV2针对TTL输出电平灵敏度调节，顺时针调节灵敏度增高，逆时针调节灵敏度降低。本实用新型设定，当测量浓度大于设定浓度时，导致双电压比较器LM393阻值变小，晶体管集极电压上升，晶体管导通后反相电压大于同相电压，此时DOUT输出为0，主控处理器模块检测到低电平，第九发光二极管LED9灯亮，系统报警。还有一种采集方法，随着CO浓度的升高，AOUT输出的电压也会随之升高，两者之间呈近似正比例关系。因为此电压值是模拟信号，所以得先经过A/D转换接口模块后交给主控处理器模块处理。

检测SO2气体浓度的原理和上述CO气敏传感器一样，SO2气体采集模块包括SO2气敏传感器。SO2气敏传感器是电化学气体传感器，SO2气敏传感器的型号为2SH12，封装好的SO2气敏传感器有6只针状管脚，其中4个用于信号输出，2个用于提供加热电流。具体电路图如图5所示，SO2气敏传感器的第四管脚连接到一双电压比较器LM393的第二引脚。SO2气敏传感器表面的电阻Rs，是通过与其串联的第三十电阻R30上的有效电压信号VR30输出而获得的，具体关系为Rs/R30＝(VCC-VR30)/VR30。根据不同浓度的气体有不同的阻值，转换为相应的电压信号输入到双电压比较器LM393，输出相应的TTL高低电平，然后通过DOUT传输到主控处理器模块进行处理。

SO2气敏传感器的第一管脚、第二管脚、第三管脚均与电源VCC连接。SO2气敏传感器的第五管脚与第三十电阻R30的一端连接，第三十电阻R30的另一端接地。SO2气敏传感器的第六管脚与第四管脚的连接节点与第三十一电阻R31的一端连接，第三十一电阻R31的另一端接地。SO2气敏传感器的第六管脚与第四管脚的连接节点与双电压比较器LM393的第二引脚之间引出输出线AOUT与A/D转换接口模块连接。

双电压比较器LM393的第八引脚与第三十二电阻R32的一端连接，双电压比较器LM393的第八引脚与第三十二电阻R32的连接节点与电源VCC连接。第三十二电阻R32的另一端与第十一发光二极管LED11的正极连接，第十一发光二极管LED11的负极与双电压比较器LM393的第一引脚连接。

第四电位器RV4的可调节端与双电压比较器LM393的第三引脚连接，其另外两端分别接电源VCC和接地。第四电位器RV4针对TTL输出电平灵敏度调节，顺时针调节灵敏度增高，逆时针调节灵敏度降低。本系统设定，当测量浓度大于设定浓度时，导致双电压比较器LM393阻值变小，晶体管集极电压上升，晶体管导通后反相电压大于同相电压，此时DOUT输出为0，主控处理器模块检测到低电平，LED灯亮，系统报警。还有一种采集方法，随着SO2浓度的升高，AOUT输出的电压也会随之升高，两者之间呈近似正比例关系。因为此电压值是模拟信号，所以得先经过A/D转换接口模块后交给主控处理器模块处理。

检测CH4气体的原理和上述两种气体检测原理一样，CH4气体采集模块包括CH4气敏传感器，CH4气敏传感器的型号为MQ-4。CH4气体采集模块也是具有两种信号量的输出，开关量DOUT和模拟量AOUT。封装好的CH4气敏传感器有6只针状管脚，其中4个用于信号输出，2个用于提供加热电流。具体电路图如图6所示，CH4气敏传感器的4管脚连接到一双电压比较器LM393的第二引脚，CH4气敏传感器表面的电阻Rs，是通过与其串联的第二十八电阻R28上的有效电压信号VR28输出而获得的，具体关系为Rs/R28＝(VCC-VR28)/VR28。根据不同浓度的气体有不同的阻值，转换为相应的电压信号输入到双电压比较器LM393，输出相应的TTL高低电平，然后通过DOUT传输到主控处理器模块进行处理。

CH4气敏传感器的第一管脚、第二管脚、第三管脚均与电源VCC连接。CH4气敏传感器的第五管脚与第二十七电阻R27的一端连接，第二十七电阻R27的另一端接地。CH4气敏传感器的第六管脚与第四管脚的连接节点与第二十八电阻R28的一端连接，第二十八电阻R28的另一端接地。CH4气敏传感器的第六管脚与第四管脚的连接节点与双电压比较器LM393的第二引脚之间引出输出线AOUT与A/D转换接口模块连接。

双电压比较器LM393的第八引脚与第二十九电阻R29的一端连接，双电压比较器LM393的第八引脚与第二十九电阻R29的连接节点与电源VCC连接。第二十九电阻R29的另一端与一第十一发光二极管LED11的正极连接，第十一发光二极管LED11的负极与双电压比较器LM393的第一引脚连接。

第三电位器RV3的可调节端与双电压比较器LM393的第三引脚连接，其另外两端分别接电源VCC和接地。第三电位器RV3针对TTL输出电平灵敏度调节，顺时针调节灵敏度增高，逆时针调节灵敏度降低。本系统设定，当测量浓度大于设定浓度时，导致双电压比较器LM393阻值变小，晶体管集极电压上升，晶体管导通后反相电压大于同相电压，此时DOUT输出为0，主控处理器模块检测到低电平，LED灯亮，系统报警。还有一种采集方法，随着SO2浓度的升高，AOUT输出的电压也会随之升高，两者之间呈近似正比例关系。因为此电压值是模拟信号，所以得先经过A/D转换接口模块后交给主控处理器模块处理。

A/D转换接口模块的电路图如图7中的图f和图g所示，A/D转换接口模块的芯片型号为AD7705，A/D转换电路外接晶体振荡器、精密基准源和少量去耦电容就可以实现A/D转换。如图6中的图b所示，精密基准源包括基准源U4、第二十六电阻R26、第十八电容C18、第十九电容C19和第二电容E2。基准源U4的型号为TL431，基准源U4的第三引脚串联一个10K的限流电阻第二十六电阻R26，第二十六电阻R26的另一端接地，基准源U4的第二引脚接地。去耦电容第十九电容C19的一端接电源VCC，其另外一端接地。这样基准源U4的第二引脚就输出2.5V的基准电压；基准源U4的第一引脚与第二引脚连接第二电容E2，基准源U4的第一引脚与第二电容E2正极连接，第十八电容C18与第二电容E2并联，基准源U4的第三引脚与第二十六电阻R26的连接节点与基准源U4的第一引脚连接。第十八电容C18、第二电容E2对2.5V的基准源电压去耦滤波。

晶体振荡器是由2.4576MHZ的第三晶振Y3和两个30pf的旁路电容组成。第三晶振Y3的第一引脚和第二引脚分别接第十六电容C16和第十七电容C17，第十六电容C16和第十七电容C17的连接节点接地。第三晶振Y3的第一引脚和第二引脚分别接A/D转换接口模块的第二引脚和第三引脚。A/D转换接口模块的第十五引脚与第十六引脚之间并联设置有去耦电容第十五电容C15和第一电容E1，第十五电容C15和第一电容E1主要去除供电电源的纹波，避免对电路产生影响。A/D转换接口模块最重要的模块就是AD7705电路模块，AD7705是美国模拟器件公司生产的16位AD转换器。A/D转换接口模块的第二引脚、第三引脚接晶体振荡器，第七引脚接SO2气体采集模块、CH4气体采集模块、CO气体采集模块的输出端AOUT，第八引脚、第十一引脚模拟负脚输入直接接地，第九引脚接基准源电压2.5V，也就是第九引脚接基准源U4的第二引脚。A/D转换接口模块的第一引脚、第四引脚、第五引脚、第十二引脚、第十三引脚、第十四引脚分别连接主控处理器模块的普通I/O口，其中A/D转换接口模块的第十三引脚就是数字量的输出DOUT。

如图8所示，温湿度采集模块包括温湿度复合传感器P5，温湿度复合传感器P5的型号为AM2302，AM2302型号的温湿度复合传感器P5是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器P5。它应用专用的数字信号采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定信。温湿度复合传感器P5包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，由于温湿度复合传感器P5采集到的是数字信号，所以信号可以直接交给主控处理器模块处理，一次电路结构就比较简单明了。具体的电路连接关系是，温湿度复合传感器P5的第一引脚脚直接连接电源VCC，第三引脚接地，这样温湿度复合传感器P5的第二引脚的输出信号就是采集到的温湿度信号。在温湿度复合传感器P5的第二引脚连接一个4.7K的上拉电阻第十六电阻R16，提高总线的抗电磁能力，另一方面也起到了限流的作用。

如图9所示，粉尘监测模块包括粉尘传感器P4，粉尘传感器P4的型号为夏普公司的GP2Y1050AU0F，该粉尘传感器P4体积小、灵敏度高，可以用来测量PM2.5、PM10的浓度。粉尘监测模块不但可以检测出单位体积粒子的绝对个数，而且内置气流发生器，可以自行吸入外部空气。其内部对角安放着红外线发光二级管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光，即使非常细小的颗粒也能够被检测到。输出方式为标准串口输出，也就是粉尘传感器P4的第二引脚直接与主控处理器模块的USART串口连接。粉尘传感器P4的第一引脚接电源，第三引脚接地，第二引脚输出信号。其中粉尘浓度Ud的计算为Ud＝A*Vout/1024，(其中U_d为粉尘浓度，单位ug/m³；Vout为传感器输出电压信号，单位为V；A为比例系数)。

如图10所示，主控处理器模块与降尘除尘设备通过第一继电器K1和第二继电器K2两个继电器连接，第一继电器K1、第二继电器K2的第一引脚和第二引脚之间分别并联第一二极管D1、第二二极管D2。其中第一继电器K1、第二继电器K2的第一引脚还分别与第一三极管Q1、第二三极管Q2的第三引脚相连，第一继电器K1、第二继电器K2的第三、第四、第五引脚分别连接到接线端子P3，接线端子P3用于与降尘除尘设备连接。其中第一继电器K1、第二继电器K2的第三引脚为公共端，第四引脚为常开引脚，第五引脚为常闭引脚。第一继电器K1、第二继电器K2分别为预警输出和报警输出。两个继电器的型号均为HFJZC-32F005-HS3，第二继电器K2也做抑尘设备联动使用。两个继电器分别采用型号为S9013的三极管驱动，单个吸合时电流约90mA，当第一三极管Q1的第二引脚为高电平时，第一三极管Q1的1脚就为低电平，第一三极管Q1饱和导通，第一继电器K1吸合；同理当第二三极管Q2的第二引脚为高电平时，第二继电器K2继电器吸合。分别与第一继电器K1和第二继电器K2并联的第一二极管D1、第二二极管D2为续流二极管，作用是在继电器断开时构成释放感应电流通路。

第一三极管Q1的第一引脚与第二引脚之间连接有100K阻值的下拉电阻第八电阻R8，第一三极管Q1的第二引脚与第八电阻R8的连接节点与2K阻值的限流电阻第七电阻R7的一端连接，第七电阻R7的另一端与主控处理器模块的第四十四引脚连接。第二三极管Q2的第一引脚与第二引脚之间连接有100K阻值的下拉电阻第十电阻R10，第二三极管Q2的第二引脚与第十电阻R10的连接节点与2K阻值的限流电阻第九电阻R9的一端连接，第九电阻R9的另一端与主控处理器模块的第四十五引脚连接。

LoRa无线模块是通讯模块，LoRa无线模块的型号为2N717M91，LoRa无线模块内部具有LoRaWAN协议栈。LoRa无线模块重点在于天线电路的设计，LoRa无线模块的天线接口为邮票孔式，所以在原理图设计时，需要在天线接头与LoRa无线模块的天线引脚之间预留一个π型匹配电路。天线的阻抗是受到电路板的铺地、外壳和安装角度等因素影响的，预留这个π型匹配电路是为了当天线严重偏离50欧姆时，将其纠正到50欧姆。LoRa无线模块的电路图如图11所示，LoRa无线模块的第二十二引脚与第一独石电容C1的一端连接，第一独石电容C1的另一端接地，LoRa无线模块的第二十二引脚与第一独石电容C1的连接节点与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端与第二独石电容C2的一端连接，第二独石电容C2的另一端接地，第一电感L1与第二独石电容C2的连接节点与SMA天线座P8的第一引脚连接。第一独石电容C1和第二独石电容C2都是用0.1uF的独石电容。而第一电感L1可以是1nH的电感，也可以用220pF电容替代。LoRa无线模块和主控处理器模块数据、参数设置等都是通过USART串口完成的，所以将LoRa无线模块的第十九引脚、第十八引脚分别接到主控处理器模块的第三十二引脚TX0、第三十三引脚RX0。

本发明创造的工作原理：系统通过对CO、SO2、CH4等有害气体的监测，对固体小颗粒PM2.5、PM10等的监测，然后进行自判断预警与报警。如果监测到的指标超出预警值就会有预警值输出，然后通过LoRa无线技术传输到中控系统，中控系统会做出相应的措施。如果监测指标超出预警并超出报警值，系统会有报警信号输出，并且会立即启动抑尘设备进行处理，也会将报警信号传输到中控系统，直至报警减除系统会关闭抑尘设备。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，其特征在于：包括温湿度采集模块、气体采集模块、粉尘监测模块、LoRa无线模块和主控处理器模块，温湿度采集模块、气体采集模块、粉尘监测模块分别将采集到的信号传输给主控处理器模块，主控处理器模块还与降尘除尘设备连接，主控处理器模块控制降尘除尘设备，LoRa无线模块与主控处理器模块连接，LoRa无线模块将主控处理器模块的信息发送给中控系统。

2.根据权利要求1所述的基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，其特征在于：气体采集模块包括SO2气体采集模块、CH4气体采集模块、CO气体采集模块中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，其特征在于：所述主控处理器模块采用单片机，单片机的型号为MSP430F149。

4.根据权利要求1所述的基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，其特征在于：温湿度采集模块采用AM2302型号的温湿度传感器(P5)，粉尘监测模块采用型号为GP2Y1050AU0F的粉尘传感器(P4)。

5.根据权利要求1所述的基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，其特征在于：所述LoRa无线模块的型号为2N717M91。

6.根据权利要求5所述的基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，其特征在于：LoRa无线模块的第二十二引脚与第一独石电容(C1)的一端连接，第一独石电容(C1)的另一端接地，LoRa无线模块的第二十二引脚与第一独石电容(C1)的连接节点与第一电感(L1)的一端连接，第一电感(L1)的另一端与第二独石电容(C2)的一端连接，第二独石电容(C2)的另一端接地，第一电感(L1)与第二独石电容(C2)的连接节点与SMA天线座(P8)的第一引脚连接，LoRa无线模块的第十九引脚、第十八引脚分别连接主控处理器模块。

7.根据权利要求1所述的基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，其特征在于：所述气体采集模块包括气敏传感器，气敏传感器与双电压比较器连接后与主控处理器模块连接。

8.根据权利要求1所述的基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，其特征在于：所述气体采集模块通过A/D转换接口模块与主控处理器模块连接。

9.根据权利要求8所述的基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，其特征在于：A/D转换接口模块的芯片型号为AD7705，A/D转换接口模块外接晶体振荡器、精密基准源和去耦电容，精密基准源包括基准源(U4)、第二十六电阻(R26)、第十八电容(C18)、第十九电容(C19)和第二电容(E2)，基准源(U4)的型号为TL431，基准源(U4)的第三引脚串联第二十六电阻(R26)，第二十六电阻(R26)的另一端接地，基准源(U4)的第二引脚接地，第十九电容(C19)的一端接电源(VCC)，其另外一端接地，基准源(U4)的第一引脚与第二引脚连接第二电容(E2)，基准源(U4)的第一引脚与第二电容(E2)正极连接，第十八电容(C18)与第二电容(E2)并联，基准源(U4)的第三引脚与第二十六电阻(R26)的连接节点与基准源(U4)的第一引脚连接；

第三晶振(Y3)的第一引脚和第二引脚分别接第十六电容(C16)和第十七电容(C17)，第十六电容(C16)和第十七电容(C17)的连接节点接地，第三晶振(Y3)的第一引脚和第二引脚分别接A/D转换接口模块的第二引脚和第三引脚，A/D转换接口模块的第十五引脚与第十六引脚之间并联设置有第十五电容(C15)和第一电容(E1)，A/D转换接口模块的第七引脚接气体采集模块的信号输出端，A/D转换接口模块的第八引脚、第十一引脚接地，A/D转换接口模块的第九引脚接基准源(U4)的第二引脚，A/D转换接口模块的第一、四、五、十二、十三、十四引脚分别连接主控处理器模块的输入输出口。

10.根据权利要求1所述的基于LoRa的大气粉尘监测及抑尘系统，其特征在于：还包括用于预警输出和报警输出的第一继电器(K1)和第二继电器(K2)，第一继电器(K1)、第二继电器(K2)的第一引脚和第二引脚之间分别并联第一二极管(D1)、第二二极管(D2)，第一继电器(K1)、第二继电器(K2)的第一引脚还分别与第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)的第三引脚相连，第一继电器(K1)、第二继电器(K2)的第三、第四、第五引脚分别连接到接线端子(P3)，接线端子(P3)与降尘除尘设备连接，第一继电器(K1)、第二继电器(K2)的第三引脚为公共端，第四引脚为常开引脚，第五引脚为常闭引脚，两个继电器分别采用三极管驱动；

第一三极管(Q1)的第一引脚与第二引脚之间连接有第八电阻(R8)，第一三极管(Q1)的第二引脚与第八电阻(R8)的连接节点与第七电阻(R7)的一端连接，第七电阻(R7)的另一端与主控处理器模块连接，第二三极管(Q2)的第一引脚与第二引脚之间连接有第十电阻(R10)，第二三极管(Q2)的第二引脚与第十电阻(R10)的连接节点与第九电阻(R9)的一端连接，第九电阻(R9)的另一端与主控处理器模块连接。