CN213633333U - 基于北斗系统的多种气体监测微站 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于有毒有害气体灾害监测与有毒有害气体泄漏预警、报警用途的基于北斗系统的多种气体监测微站。所述多种气体监测微站包括气体传感器模块、主控MCU系统、电源电路、声光报警电路、SE加密电路、显示电路、北斗定位电路、无线通讯电路。气体传感器模块包括气体传感器组、传感器信号处理电路、模块MCU系统、吸气泵。气体传感器模块的气体浓度信号输出端与主控MCU系统的气体浓度信号输入端连接，主控MCU系统的报警信号输出端与声光报警电路的报警信号输入端连接，SE加密电路的加密信号输出端与主控MCU系统的加密信号输入端连接，北斗定位电路的定位信号输出端与主控MCU系统的定位信号输入端连接。

Description

基于北斗系统的多种气体监测微站

技术领域

本实用新型涉及一种多种气体监测微站，特别涉及一种基于北斗系统的多种气体监测微站。

背景技术

随着人类社会工业化的不断发展，大气污染与有毒有害气体泄漏突发事件时有发生，污染源监测和气体泄漏的预警、报警既是经济问题又是社会问题，关系到经济发展和社会稳定。如果处理不及时，会对人们的生命和社会财产造成重大灾害。

有毒有害气体灾害主要包括以下几个方面：

1、雾霾

雾霾天气是一种大气污染状态，雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，尤其是PM2.5被认为是造成雾霾天气的“元凶”。

2、光化学污染

光化学烟雾主要是由于汽车尾气和工业废气排放造成的，其中总烃类碳氢化合物和氮氧化合物等被排放到大气中后，经一系列的光化学反应，形成含剧毒的光化学烟雾，对人体健康造成伤害。

3、水文环境污染

工业废水直接排放，不仅污染地表水并侵入到地下含水层中，同时废水中各种有毒气体的不断挥发对人体健康带来持续的危害。

4、厂界气体泄露的爆炸和中毒灾害

在石油、化工、冶炼、制药等大多数的工业化生产或储运中，都要用到可燃气体和有毒气体，这些气体一旦泄漏聚集，达到爆炸下限或职业接触限值，就会发生设备爆炸和人员中毒事故，气体泄漏的预警、报警是保障工业化生产顺利进行的重要环节。

实用新型内容

根据本实用新型的基于北斗系统的多种气体监测微站BD-Abox正是针对有毒有害气体灾害监测与有毒有害气体泄漏预警、报警用途而设计的多气体监测微站终端。

BD-Abox具有固定安装与移动式的双功能应用场景，同时兼顾了独立工作与厂界气体检测系统应用要求，既可以独立工作，完成多种气体的浓度监测与超限报警，又可以采用网格化管理模式，将气体监测区域划分为无数个网格，以“网格”为单位，将BD-Abox设置在每个“网格”内。遍布于各个网格内的BD-Abox，实时采集气体浓度和地理位置信息，通过加密的NB-IoT无线通讯方式，传输到各级预警与监测系统平台上，系统平台基于GIS技术，可进行灾害即将发生的初级预警和灾害发生后的终极报警。

根据本实用新型的基于北斗系统的多种气体监测微站BD-Abox包括气体传感器模块、主控MCU系统、电源电路、声光报警电路、加密软件加密电路、显示电路、北斗定位电路、无线通讯电路。所述气体传感器模块包括气体传感器组、传感器信号处理电路、模块MCU系统、吸气泵。

气体传感器模块的气体浓度信号输出端与主控MCU系统的气体浓度信号输入端连接，主控MCU系统的报警信号输出端与声光报警电路的报警信号输入端连接，主控MCU系统的显示信号输出端与显示电路的显示信号输入端连接，加密软件加密电路的加密信号输出端与主控MCU系统的加密信号输入端连接，北斗定位电路的定位信号输出端与主控MCU系统的定位信号输入端连接，主控 MCU系统的无线通讯信号输入输出端与无线通讯电路的通信信号输入输出端连接。

电源电路用于为气体传感器模块、主控MCU系统、声光报警电路、加密软件加密电路、显示电路、北斗定位电路、无线通讯电路供电。

气体传感器组的传感器管脚与传感器信号处理电路连接，模块MCU系统的电压信号输入端与传感器信号处理电路的电压信号输出端连接，吸气泵的启动信号输入端与模块MCU系统的启动信号输出端连接。

可选的，根据本实用新型的基于北斗系统的多种气体监测微站还包括蓝牙透传电路，主控MCU系统的蓝牙信号输入输出端与蓝牙透传电路的蓝牙信号输入输出端连接。

可选的，根据本实用新型的基于北斗系统的多种气体监测微站，在所述多种气体监测微站应用于无公用通讯网络或者突发的气体泄露事件而导致无线通讯电路无法将加密的气体浓度数据传输的情况下，主控MCU系统启动北斗定位电路的短报文通讯模式，实现数据的无间断发送。

可选的，根据本实用新型的基于北斗系统的多种气体监测微站，所述气体传感器组采用的气体传感器组合根据不同的应用场景而不同。

可选的，根据本实用新型的基于北斗系统的多种气体监测微站，所述气体传感器组采用催化燃烧式传感器、PID传感器、电化学传感器、红外气体传感器、和/或金属氧化物传感器组合用于环境空气质量监测；所述气体传感器组采用PID 传感器和金属氧化物传感器组合用于监测大气环境中挥发性有机物总量；所述气体传感器组采用电化学传感器和红外气体传感器用于车载远程尾气排放监控；或者所述多种气体监测微站安装在防爆壳体内用于厂界有毒有害气体泄漏监测，且所述气体传感器组采用电化学传感器检测毒性气体泄漏和/或采用催化燃烧式传感器检测可燃气体泄漏。

本实用新型的优点在于：

BD-Abox的智能传感器模块内嵌MCU系统，每个传感器有唯一的出厂ID 值，与主控MCU模块之间采用热拔插结构，采用串口通讯的模式进行数据交换， BD-Abox的智能传感器模块可在出厂前完成气体校准，现场可避免气体标定，更换与维护传感器模块很方便。

BD-Abox的智能传感器模块内嵌微型吸气泵，当气体浓度接近职业接触限值时，微型吸气泵自动打开，智能传感器模块的气体采集模式由扩散转为泵吸方式，快速提高监测响应时间，为灾害处置争取响应时间。

BD-Abox内嵌加密软件加密电路，加密软件加密电路与主控MCU系统通过 I2C进行通讯，通过身份认证、通讯加密，实现BD-Abox数据防篡改技术，为政府层面的污染源监控的提供数据安全保障。

BD-Abox内嵌无线通讯电路，无线通讯电路基于NB-IoT通讯模式，通过 NB-IoT基站和应用服务器，采用“网格”化的管理模式，实现多种气体浓度和地理信息的大数据云平台监测和管理。

当BD-Abox应用在无公用通讯网络或者突发的气体泄露事件情况下，BD-Abox的北斗电路可以启动短报文通讯模式，利用北斗系统同时具备定位与通讯功能的特点，无需其他通讯系统支持，采用北斗全球短报文通信模式，通过卫星将气体浓度的相关数据回传，实现气体浓度数据的无间断监测。

BD-Abox的供电采用DC24V和电池供电两个回路。使BD-Abox具有固定安装与移动式的双功能应用场景，兼顾了独立工作与厂界气体检测系统应用要求。

附图说明

图1为具体实施方式一、二、三、四所述的基于北斗系统的多种气体监测微站BD-Abox的电气结构示意图。

图2为具体实施方式一、四所述的基于北斗系统的多种气体监测微站 BD-Abox的智能传感器模块的电气结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，BD-Abox包括气体传感器模块1、主控MCU(微控制单元)电路2、电源电路3、声光报警电路4、 SE(加密软件)加密电路5、显示电路6、北斗定位电路7、无线通讯电路8。

气体传感器模块1的气体浓度信号输出端与主控MCU系统2气体浓度信号输入端连接，主控MCU系统2的报警信号输出端与声光报警电路4的报警信号输入端连接，主控MCU系统2的显示信号输出端与显示电路6的显示信号输入端连接，SE加密电路5的加密信号输出端与主控MCU系统2的加密信号输入端连接，北斗定位电路7的定位信号输出端与主控MCU系统2的定位信号输入端连接，主控MCU系统2的无线通讯信号输入输出端与无线通讯电路8的通信信号输入输出端连接，电源电路3为气体传感器模块1、主控MCU系统2、声光报警电路4、SE加密电路5、显示电路6、北斗定位电路7、无线通讯电路8 供电。

所述的气体传感器模块1包括气体传感器组1-1、传感器信号处理电路1-2、模块MCU系统1-3、吸气泵1-4。

气体传感器组1-1的传感器管脚与传感器信号处理电路1-2连接，模块MCU 系统1-3的电压信号输入端与传感器信号处理电路1-2的电压信号输出端连接，吸气泵1-4的启动信号输入端与模块MCU系统1-3的启动信号输出端连接。

上述主控MCU系统2采用嵌入式微控制器的集成电路STM32F103RCT6，芯片架构ARMCortex-M3、位宽32位，速度是72MHz，程序存储器容量是256KB。

上述电源电路3包括mc33063集成电路和锂电池组，mc33063构成直流电供电回路，可实现DC+24V向DC+5V电压转换。锂电池组可以采用输出电压 3.7V、容量为2000mAh可充电聚合物电池，构成电池供电回路。使BD-Abox具有DC+24V和电池供电双回路，实现固定安装与移动式监测双功能应用场景。

上述声光报警电路4采用2n7002集成电路驱动LED发光管阵列，NE555 集成电路用于驱动有源蜂鸣器发声。

上述SE加密电路5采用N32S032集成电路实现。N32S032芯片采用ARM SC000安全处理器内核以及AMBA多总线结构设计，内置硬件算法协处理器，提供性能优异的DES/3DES、AES、SHA、RSA、ECC以及国家商用密码 SM1/SM2/SM3/SM4等安全算法模块，可实现数据的加密通讯和数字认证。

上述显示电路6采用16位真彩TFTLCD显示器实现,型号OCM320240,显示器的尺寸可选。

上述北斗定位电路7采用北斗RDSS四和一模块HS201，接收灵敏度 -127dBm。定位和通讯成功率大于95％。

上述无线通讯电路8采用NB86-G型低功耗多频段NB-IoT无线通信模块，模块基于海思Boudica150芯片组，满足全球大部分运营商网络。BD-Abox采用 NB-IoT无线通信模式，通过NB-IoT基站和应用服务器，与用户端建立网络联系，提供气体浓度和地理信息的数据传输服务。

上述气体传感器组1-1由催化燃烧传感器、电化学传感器、PID(光电离子) 传感器、红外传感器、和属氧化物传感器等组合构成。

上述传感器信号处理电路1-2由集成电路OPA336、27L2、TPS76333、 TPS76325、TL431组成，实现传感器的供电、信号转换。

上述模块MCU系统1-3采用ATmega32A单片计算机系统实现。该芯片为高性能、低功耗的8位

微处理器。

上述的吸气泵1-4采用C15L微型真空泵，3.2v—6v宽电压供电，空载峰值流量:1L/min。

本实施方式中的气体传感器组1-1中的气体传感器通过扩散方式检测到有毒有害气体的浓度，输出与所述气体浓度成比例变化的微量电流或电压信号，传感器信号处理电路1-2对信号滤波、放大处理为mv级电压信号，模块MCU系统 1-3将所述电压信号转换为气体浓度信号，模块MCU系统1-3对所述气体浓度信号进行预处理，模块MCU系统1-3采用mudbus通讯协议通过串口通讯方式将所述气体浓度信号和相应气体传感器ID值上传给主控MCU系统2，显示电路 6显示气体浓度，MCU系统2与内部存储的所述相应气体传感器的气体浓度预警限值进行比较，达到预警限值时，主控MCU系统2通过串口通讯方式将预警信息传送给模块MCU系统1-3，模块MCU系统1-3启动吸气泵1-4，从气体传感器组1-1中的气体传感器所在环境快速吸进气体，加快气体与气体传感器的接触速度，迅速检测所在环境有毒有害气体的浓度，同时主控MCU系统2通过北斗定位电路7获得BD-Abox地理位置信息，主控MCU系统2与SE加密电路5 进行数据交换，将气体浓度信号和地理位置信息打包，进行数字签名后的数据连同数字签名通过无线通讯电路8，一并发送至企业平台或气体监测管理系统平台上，同时SE加密电路5对无线通讯数据采用SM2商密算法加密；当气体浓度超过报警设置时，主控MCU系统2启动声光报警电路4，及时提示现场所有人员短时间内撤离，避免发生现场人员中毒。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的基于北斗系统的多种气体监测微站BD-Abox不同的是，本实施方式还包括蓝牙透传电路9，主控MCU 系统2的蓝牙信号输入输出端与蓝牙透传电路9的蓝牙信号输入输出端连接。

上述蓝牙透传电路9采用E95型低功耗蓝牙模块，支持蓝牙5.0，采用PCB 天线。

本实施方式增加的蓝牙透传电路9能够使BD-Abox与手持终端设备短距离进行数据交换。手持终端设备包括智能手机和笔记本电脑，通过所述的安装了调试小程序的智能手机和笔记本电脑，通过蓝牙透传电路9对BD-Abox进行现场功能设置以及调零和气体灵敏度标定。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于北斗系统的多种气体监测微站BD-Abox的异常情况进一步补充，当BD-Abox应用在无公用通讯网络或者突发的气体泄露事件情况下，BD-Abox的无线通讯电路8无法将加密的气体浓度数据传输时，主控MCU系统2启动短报文通讯模式，利用北斗系统同时具备定位与通讯功能的特点，北斗定位电路7发送气体浓度的短报文，通过卫星将气体浓度的相关数据回传，实现数据的无间断发送。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于北斗系统的多种气体监测微站BD-Abox的进一步限定，在实际应用中，根据不同的应用场景，所述的气体传感器组1-1采用的气体传感器组合不尽相同。

在环境空气质量监测应用中，BD-Abox的气体传感器组1-1采用PID传感器、电化学传感器、红外气体传感器组合，型号为分别为4R-PID、ES-4、IRNET-P。

BD-Abox用于监测大气环境中挥发性有机物总量时，气体传感器组1-1采用 PID传感器和金属氧化物传感器组合，型号为分别为4R-PID、TGS813。

BD-Abox在车载远程尾气排放监控应用中，BD-Abox的气体传感器组1-1 采用电化学传感器和红外气体传感器，型号分别为3NDH、IRNET-P。

BD-Abox在厂界有毒有害气体泄漏应用环境中，BD-Abox必须安装在防爆壳体内，气体传感器组1-1中检测毒性气体泄漏，采用电化学传感器，型号为英国CITY公司的4系列的各种型号；检测可燃气体泄漏，采用催化燃烧式传感器，型号为KG-8。

本领域技术人员应该理解，上述的具体实施例仅是例子而非限制，可以根据设计需求和其它因素对本实用新型的实施例进行各种修改、组合、部分组合和替换，只要它们在所附权利要求或其等同的范围内，即属于本实用新型所要保护的权利范围。

Claims (5)

1.一种基于北斗系统的多种气体监测微站，其特征在于：

所述多种气体监测微站包括气体传感器模块(1)、主控MCU系统(2)、电源电路(3)、声光报警电路(4)、加密软件加密电路(5)、显示电路(6)、北斗定位电路(7)、无线通讯电路(8)；

所述气体传感器模块(1)包括气体传感器组(1-1)、传感器信号处理电路(1-2)、模块MCU系统(1-3)、吸气泵(1-4)；

气体传感器模块(1)的气体浓度信号输出端与主控MCU系统(2)的气体浓度信号输入端连接，主控MCU系统(2)的报警信号输出端与声光报警电路(4)的报警信号输入端连接，主控MCU系统(2)的显示信号输出端与显示电路(6)的显示信号输入端连接，加密软件加密电路(5)的加密信号输出端与主控MCU系统(2)的加密信号输入端连接，北斗定位电路(7)的定位信号输出端与主控MCU系统(2)的定位信号输入端连接，主控MCU系统(2)的无线通讯信号输入输出端与无线通讯电路(8)的通信信号输入输出端连接；

电源电路(3)用于为气体传感器模块(1)、主控MCU系统(2)、声光报警电路(4)、加密软件加密电路(5)、显示电路(6)、北斗定位电路(7)、无线通讯电路(8)供电；

气体传感器组(1-1)的传感器管脚与传感器信号处理电路(1-2)连接，模块MCU系统(1-3)的电压信号输入端与传感器信号处理电路(1-2)的电压信号输出端连接，吸气泵(1-4)的启动信号输入端与模块MCU系统(1-3)的启动信号输出端连接。

2.根据权利要求1所述的基于北斗系统的多种气体监测微站，其特征在于，还包括蓝牙透传电路(9)，主控MCU系统(2)的蓝牙信号输入输出端与蓝牙透传电路(9)的蓝牙信号输入输出端连接。

3.根据权利要求1所述的基于北斗系统的多种气体监测微站，其特征在于，在所述多种气体监测微站应用于无公用通讯网络或者突发的气体泄露事件而导致无线通讯电路(8)无法将加密的气体浓度数据传输的情况下，主控MCU系统(2)启动北斗定位电路(7)的短报文通讯模式，实现数据的无间断发送。

4.根据权利要求1所述的基于北斗系统的多种气体监测微站，其特征在于，所述气体传感器组(1-1)采用的气体传感器组合根据不同的应用场景而不同。

5.根据权利要求1所述的基于北斗系统的多种气体监测微站，其特征在于，

所述气体传感器组(1-1)采用催化燃烧式传感器、光电离子传感器、电化学传感器、红外气体传感器和金属氧化物传感器组合用于环境空气质量监测；

所述气体传感器组(1-1)采用光电离子传感器和金属氧化物传感器组合用于监测大气环境中挥发性有机物总量；

所述气体传感器组(1-1)采用电化学传感器和红外气体传感器用于车载远程尾气排放监控；或者

所述多种气体监测微站安装在防爆壳体内用于厂界有毒有害气体泄漏监测，且所述气体传感器组(1-1)采用电化学传感器检测毒性气体泄漏和/或采用催化燃烧式传感器检测可燃气体泄漏。

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