CN212321562U - 特征污染物环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种特征污染物环境监测系统，包括壳体、控制单元、检测单元、电源单元、前处理单元和天线，壳体的内腔采用三层安装结构，且三层安装结构上自上而下分别依次设置有控制单元、检测单元和电源单元，壳体的顶部设置有前处理单元和天线，前处理单元与壳体的进气口相连通，壳体为不朽钢壳体，具备断电/来电报警功能，当设备运行过程中断电时，可以实现远程判断设备状态，具备断电后低功耗模式，延长设备工作时间的能力，具备独立指令集远程控制的功能，维护拆卸，设备内部部件是模块形式存在，便于进行维护，降低维护成本方便。

Description

特征污染物环境监测系统

技术领域

本实用新型涉及厂界环境监测技术领域，尤其涉及一种特征污染物环境监测系统。

背景技术

在地方经济迅速发展的同时，各地区不断出现不同程度的水、气、噪声等环境污染事件，严重影响了人们的生活质量，阻碍了当地经济的持续发展。我国多地区面临大气环境质量改善的巨大压力，随着国家制定的各种环境保护政策及法规的颁布实施，各级地方政府在直辖区内的环境治理日益重视的同时，加大了对环境监测的投资力度，各地区陆续规划安装了大气环境质量监测地面站，只有精确找到本地污染物排放来源，结合地理、气象、环境衍生等众多原因综合分析，才能实现大气污染治理精准决策和快速应对。

目前，对环境监测日益重视，但很多基础检测设备的建设还很薄弱，人工监管方式和视频网格化监控，很难提供精准监测数据，下一步需在精细化方面做出突破。传统的空气质量监测自动站，都是由大型设备组成，需要建立站房进行安装，同时，每年还得支出一笔不小的维护费用，由于这些情况的出现，导致自动监测站的建立是有限的，缺乏一个完整的大规模的气体监测系统。

国内许多地方对大气网格化监测做了有益尝试，但是还存在覆盖范围和监测要素不全、信息化水平不高、监测与监管结合不紧密、监测数据质量有待提高等问题，难以满足大气污染治理需求。为此，我们提出了一种特征污染物环境监测系统。

实用新型内容

本实用新型提供了一种特征污染物环境监测系统，目的在于采用点源式厂界环境监测微型站设备成本较低、用电方便(可利用太阳能供电)、易于安装，能满足当前市场需求，可实现广泛布点。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型是通过以下技术方案实现：

一种特征污染物环境监测系统，包括壳体、控制单元、检测单元、电源单元、前处理单元和服务器，所述壳体的内腔采用三层安装结构，且三层安装结构上自上而下分别依次设置有控制单元、检测单元和电源单元，所述壳体的顶部设置有前处理单元，且前处理单元与壳体的进气口相连通；

所述控制单元包括DTU、主控板和天线，且天线位于壳体的顶部，所述主控板、天线和服务器组合而成监测控制系统；

所述检测单元包括检测模块和气泵；

所述电源单元包括空气开关、铅蓄电池和开关电源；

所述前处理单元包括采样管和过滤器。

优选地，上述特征污染物环境监测系统中，所述采样管、过滤器、检测模块和气泵组合而成气体采集系统。

基于上述技术特征，气体采集系统负责采集厂界周边环境气体送入设备进行检测，气泵抽取样气送入前处理单元，对样气进行除湿和除杂质的流程，将干燥干净的样气送入检测模块进行检测、运算输出气体浓度值，之后将样气释放到环境中。

优选地，上述特征污染物环境监测系统中，所述开关电源、主控板、铅蓄电池、检测模块、气泵和DTU组合而成电源供电系统，所述开关电源电性输出连接主控板，所述主控板电性双向连接铅蓄电池，所述主控板分别电性输出连接检测模块、气泵和DTU。

基于上述技术特征，电源供电系统负责为设备提供正常工作的电能，设备正常工作状态采用交流220V供电，通过开关电源转换为14V直流电压后，给主控板提供电源，主控板一方面输出12V直流电压给检测模块、气泵和DTU，维持设备正常运行状态，另一方面给铅蓄电池充电，当设备外接交流220V电源断电时，铅蓄电池通过主控板输出12V直流电压可继续维持后续设备正常运行一段时间，当铅蓄电池电量过低、交流220V断电，设备则停止工作。

优选地，上述特征污染物环境监测系统中，所述检测模块电性输出连接DTU，所述DTU电性输出连接天线，所述天线信号输出连接服务器，所述检测模块、DTU、天线和服务器组合而成数据传输系统。

基于上述技术特征，数据传输系统负责将设备运算的数据传输到服务器中。检测模块输出数据通过DTU(Data Transfer unit)设备，DTU再将数据通过天线无线传输到指定服务器中，用户则可在服务器中查询设备数据。

优选地，上述特征污染物环境监测系统中，所述检测模块包括气室、信号板和检测板，且气室、信号板和检测板自下而上依次固定安装设置，所述检测板内置风速接口、风向接口、电量监测接口、通讯接口、信号采集板和气泵接口。

基于上述技术特征，气体检测模块选用意法半导体的STM32F103RCT6型号的微控制器作为运算核心，实时监测厂界空气浓度，通过485向数据传输单元DTU传输浓度数据，内置风速、风向接口，电量监测接口、通讯接口、信号采集板、气泵接口，可同时实现监测风速、风向数据，设备电量情况、设备断电报警等功能，风速、风向传感器输出信号为0-5V电压值，通过采样电阻分压，使电压信号为0-3.3V之间，经过运放电压跟随电路进入单片机IO口，内部实现AD采样运算，计算风速、风向数值，电量监测接口实时检测开关电源的工作状态，单片机通过判断引脚的电平状态可识别外接输入电源是否有电压、开关电源输出是否有电压、电池是否充电等信息，通讯物理层采用485方式与数据传输单元DTU连接，数据传输单元DTU开启透传模式将浓度数据通过GPRS网络传输到服务器中，板载10路AD采集端口，其中6路信号用于从信号采集板采集传感器电压信号进行浓度数据的运算处理，4路为备用端口，用于扩展使用，采样泵为12V电压供电，该电路用于控制采样泵开关，以便在设备断电且电量即将耗尽时进入低功耗模式，关闭采样泵，延长设备工作时长。

优选地，上述特征污染物环境监测系统中，所述气室的顶部自左向右依次开设有三组检测孔，且检测孔中安装有传感器，所述气室的底部自左向右开设有气路，且气路贯穿气室，所述气路的左右两对称设置有气路口。

基于上述技术特征，气室用于将传感器固定在一个聚四氟乙烯材料制作的模具中，图中三个传感器检测孔通过一条气路相连，采样气体从气路中一进一出，通过模具检测孔进入传感器，传感器与气室固定后须保证足够的密封性，防止采样气体进入气路后通过传感器与模具的缝隙溢出而影响浓度数据的准确性。

优选地，上述特征污染物环境监测系统中，所述前处理单元的底部插接有采样管，且采样管延伸至前处理单元的顶部，所述前处理单元的顶部外壁开设有防尘防水导气孔，所述采样管的外壁缠绕有伴热带，且伴热带位于前处理单元的内腔，所述采样管的底部连通有过滤器，且过滤器位于前处理单元的下方。

基于上述技术特征，全程伴热，样气采集无冷点，避免样品失真，过滤器用于去除空气中的粉尘杂质，实现提高设备检测精度的目的，伴热带接220V交流电后自动加热，缠绕在管路周边，当采集样气进入气路后，起到加热气体除湿的目的，过滤器用于过滤样气中的杂质，防止粉尘等颗粒物进入气室中堵塞气路和污染传感器检测孔。

优选地，上述特征污染物环境监测系统中，所述监测控制系统的控制方法流程是：

S1：独立指令集的建立(该指令集格式为：TY+指令＝权限码)，开始读FLASH获取设备参数；

S2：是否接收独立指令集，否直接退出，是进行下一步；

S3：指令包头校验，否直接退出，是进行下一步；

S4：指令校验，否直接退出，是进行下一步；

S5：权限级别校验，分为三个级别权限，分别为一级权限、二级权限和三级权限，若为一级权限，则进行权限码一致校验，否直接退出，是进行指定设备相应，若为二级权限，则进行广播模式检验，否直接退出，是进行广播模式全部设备响应，若为三级权限，进行模式校验，否直接退出，是进行权限码一致校验或者广播模式检验，若为权限码一致校验后则指定设备相应；

S6：控制参数校验，上述设备响应后再进行控制参数校验；

S7：配置参数校验；

S8：最后存入FLASH，并退出。

优选地，上述特征污染物环境监测系统中，所述独立指令集的参数包括配置HJ/T212协议、Modbus协议参数、以及控制或查询设备工作参数。

优选地，上述特征污染物环境监测系统中，所述传感器电性双向连接有恒电位电路，所述传感器电性输出连接有电流转电压电路，所述电流转电压电路电性输出连接有差分放大电路，所述差分放大电路电性输出连接AD采集电路。

基于上述技术特征，恒电位电路为电化学传感器提供稳定的参考电压，保证传感器能够正常工作，传感器会输出一个微弱的电流信号，经过运放电流转电压，再经过差分放大去除参考电压后放大信号量，将放大的电压信号送入到单片机的AD采集中计算当前电压AD值。

本实用新型的有益效果是：

(1)具备断电/来电报警功能，当设备运行过程中断电时，可以实现远程判断设备状态。

(2)具备断电后低功耗模式，延长设备工作时间的能力。

(3)具备独立指令集远程控制的功能。

(4)维护拆卸方便，设备内部部件是模块形式存在，便于进行维护，降低维护成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的控制单元结构示意图；

图3为本实用新型的检测单元结构示意图；

图4为本实用新型的电源单元结构示意图；

图5为本实用新型的采集系统流程图；

图6为本实用新型的传输系统流程图；

图7为本实用新型的检测模块结构示意图；

图8为本实用新型的气室结构示意图；

图9为本实用新型的前处理单元结构示意图；

图10为本实用新型的控制系统流程图；

图11为本实用新型的传感器信号采集的驱动电路设计框图；

图12为本实用新型的恒电位电路的电路图；

图13为本实用新型的电流转电压电路的电路图；

图14为本实用新型的差分放大电路的电路图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-壳体、2-控制单元、201-DUT、202-主控板、203-天线、3-检测单元、301-检测模块、3011-气室、3012-信号板、3013-检测板、3014-检测孔、3015-气路、3016-气路口、302-气泵、4-电源单元、401-空气开关、402-铅蓄电池、403-开关电源、5-前处理单元、501-采样管、502-过滤器、503-防尘防水导气孔、504-伴热带、6-天线、7-服务器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-4所示，本实施例为一种特征污染物环境监测系统，包括壳体1、控制单元2、检测单元3、电源单元4、前处理单元5和服务器7，所述壳体1的内腔采用三层安装结构，且三层安装结构上自上而下分别依次设置有控制单元2、检测单元3和电源单元4，所述壳体1的顶部设置有前处理单元5，且前处理单元5与壳体1的进气口相连通；

所述控制单元2包括DTU201、主控板202和天线6，且天线6位于壳体1的顶部，所述主控板201、天线6和服务器7组合而成监测控制系统；

所述检测单元3包括检测模块301和气泵302；

所述电源单元4包括空气开关401、铅蓄电池402和开关电源403；

所述前处理单元5包括采样管501和过滤器502。

其中，所述采样管501、过滤器502、检测模块301和气泵302组合而成气体采集系统。

所述开关电源403、主控板202、铅蓄电池402、检测模块301、气泵302和DTU201组合而成电源供电系统，所述开关电源403电性输出连接主控板202，所述主控板202电性双向连接铅蓄电池402，所述主控板202分别电性输出连接检测模块301、气泵302和DTU201。

所述检测模块301电性输出连接DTU201，所述DTU201电性输出连接天线6，所述天线6信号输出连接服务器7，所述检测模块301、DTU201、天线6和服务器7组合而成数据传输系统。

所述检测模块301包括气室3011、信号板3012和检测板3013，且气室3011、信号板3012和检测板3013自下而上依次固定安装设置，所述检测板3013内置风速接口、风向接口、电量监测接口、通讯接口、信号采集板和气泵302接口。

所述气室3011的顶部自左向右依次开设有三组检测孔3014，且检测孔3014中安装有传感器，所述气室3011的底部自左向右开设有气路3015，且气路3015贯穿气室3011，所述气路3015的左右两对称设置有气路口3016。

所述前处理单元5的底部插接有采样管501，且采样管501延伸至前处理单元5的顶部，所述前处理单元5的顶部外壁开设有防尘防水导气孔503，所述采样管501的外壁缠绕有伴热带504，且伴热带504位于前处理单元5的内腔，所述采样管501的底部连通有过滤器502，且过滤器502位于前处理单元5的下方。

参看说明书图中的图10，所述监测控制系统的控制方法流程是：

S1：独立指令集的建立(该指令集格式为：TY+指令＝权限码)，开始读FLASH获取设备参数；

S2：是否接收独立指令集，否直接退出，是进行下一步；

S3：指令包头校验，否直接退出，是进行下一步；

S4：指令校验，否直接退出，是进行下一步；

S5：权限级别校验，分为三个级别权限，分别为一级权限、二级权限和三级权限，若为一级权限，则进行权限码一致校验，否直接退出，是进行指定设备相应，若为二级权限，则进行广播模式检验，否直接退出，是进行广播模式全部设备响应，若为三级权限，进行模式校验，否直接退出，是进行权限码一致校验或者广播模式检验，若为权限码一致校验后则指定设备相应；

S6：控制参数校验，上述设备响应后再进行控制参数校验；

S7：配置参数校验；

S8：最后存入FLASH，并退出。

所述独立指令集的参数包括配置HJ/T212协议、Modbus协议参数、以及控制或查询设备工作参数。

所述传感器电性双向连接有恒电位电路，所述传感器电性输出连接有电流转电压电路，所述电流转电压电路电性输出连接有差分放大电路，所述差分放大电路电性输出连接AD采集电路。

恒电位电路使用运放设计一个负反馈电路，通过负反馈机制使得对电极和参比电极的电压一致，V_ref为参比电极电压，V_e为传感器参考电压,V_cnt为对电极电压(参看图12)。

当V_ref＜V_e时，输出V_cnt会上升，因为

所以V_ref上升。

当V_ref＞V_e时，输出的V_cnt会下降，因为

所以V_ref下降。

当达到平衡之后，

电流转电压电路利用运放的输入阻抗大，输出阻抗小的特性，配上合适的阻值，可以使电流转换成电压，并可以调节电压的数值(参看附图13)。

设输出电压为V_sens，传感器输入电流为I_sens，则有V_sens＝V_ref-R₃×I_sens

通过电流转电压电路，输出的电压V_sens经过差分放大电路，目的是将单电源供电使用的参考电压V_ref剔除掉，使得最终输出的电压从0开始，增大输出范围，使AD采样的精度更高(参看图14)。

设输入电压为V_sens，输出电压为V_out，则有：

当R₅＝R₆,R₄＝R₇时,

则V_out＝N(V_sens-V_ref)

放大倍数

所以气体浓度为0时，V_out＝N(V_sens-V_ref)＝0。

综上所述，传感器输出电流为I_sens，最终输出电压为V_out，则有

V_out＝-N×R₃×I_sens

本实用新型的一种具体实施为，前处理单元5可以对气体中的水份和粉尘进行处理，使干净的气体进入检测器，延长了传感器的寿命和保证设备精度，天线6为DTU传输天线，DTU通过天线与服务器实现可靠通讯，壳体1为不锈钢壳体，不朽钢的壳体1更适合化工园区的VOC检测仪器使用，防止了腐蚀性气体和降雨等对壳体1的腐蚀，延长了设备的使用寿命，检测单元3对气体进行检测传输，电源单元4为装置对装置进行供电作用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种特征污染物环境监测系统，其特征在于：包括壳体、控制单元、检测单元、电源单元、前处理单元和服务器，所述壳体的内腔采用三层安装结构，且三层安装结构上自上而下分别依次设置有控制单元、检测单元和电源单元，所述壳体的顶部设置有前处理单元，且前处理单元与壳体的进气口相连通；

所述控制单元包括DTU、主控板和天线，且天线位于壳体的顶部，所述主控板、天线和服务器组合而成监测控制系统；

所述检测单元包括检测模块和气泵；

所述电源单元包括空气开关、铅蓄电池和开关电源；

所述前处理单元包括采样管和过滤器。

2.根据权利要求1所述的特征污染物环境监测系统，其特征在于：所述采样管、过滤器、检测模块和气泵组合而成气体采集系统。

3.根据权利要求1所述的特征污染物环境监测系统，其特征在于：所述开关电源、主控板、铅蓄电池、检测模块、气泵和DTU组合而成电源供电系统，所述开关电源电性输出连接主控板，所述主控板电性双向连接铅蓄电池，所述主控板分别电性输出连接检测模块、气泵和DTU。

4.根据权利要求1所述的特征污染物环境监测系统，其特征在于：所述检测模块电性输出连接DTU，所述DTU电性输出连接天线，所述天线信号输出连接服务器，所述检测模块、DTU、天线和服务器组合而成数据传输系统。

5.根据权利要求1所述的特征污染物环境监测系统，其特征在于：所述检测模块包括气室、信号板和检测板，且气室、信号板和检测板自下而上依次固定安装设置，所述检测板内置风速接口、风向接口、电量监测接口、通讯接口、信号采集板和气泵接口。

6.根据权利要求5所述的特征污染物环境监测系统，其特征在于：所述气室的顶部自左向右依次开设有三组检测孔，且检测孔中安装有传感器，所述气室的底部自左向右开设有气路，且气路贯穿气室，所述气路的左右两对称设置有气路口。

7.根据权利要求1所述的特征污染物环境监测系统，其特征在于：所述前处理单元的底部插接有采样管，且采样管延伸至前处理单元的顶部，所述前处理单元的顶部外壁开设有防尘防水导气孔，所述采样管的外壁缠绕有伴热带，且伴热带位于前处理单元的内腔，所述采样管的底部连通有过滤器，且过滤器位于前处理单元的下方。

8.根据权利要求5所述的特征污染物环境监测系统，其特征在于：所述传感器电性双向连接有恒电位电路，所述传感器电性输出连接有电流转电压电路，所述电流转电压电路电性输出连接有差分放大电路，所述差分放大电路电性输出连接AD采集电路。

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