CN219573926U - 一种基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，涉及气体浓度监测技术领域。不仅能提高气体浓度的监测能力，还能提高设备管理、应急处置、检修维护的水平。该装置包括防爆金属壳体和设置在防爆金属壳体内的单片机、甲烷激光气体传感器、无线通讯模块和GPS模块；单片机通过UART1口与甲烷激光气体传感器连接，通过USB口与无线通讯模块连接，单片机通过GPIO口模拟UART通讯与GPS定位模块连接；甲烷激光气体传感器能够检测燃气管道井内甲烷气体的浓度；GPS模块能够提供每台设备的位置信息；无线通讯模块为装置提供无线通讯，将监测数据传输至指定数据平台；单片机能够将接收到的甲烷气体的浓度信号，通过无线通讯模块传输至指定数据平台。

Description

一种基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置

技术领域

本申请涉及气体浓度监测技术领域，尤其涉及一种基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置。

背景技术

随着城市规模的不断扩大，地下公共基础设施建设的配套及覆盖率逐年上升。城市地下空间遍布燃气管网、窨井、雨污管道、电缆沟、暗河暗渠等设备设施。由于地下装置和设备均在地下密闭空间，其产生的危险性气体容易聚集，监测和处理难度较大。尤其是城市燃气管网的安全问题，由于燃气管网与相邻的窨井、雨污管道、电缆沟、暗河暗渠等设备设施处于安全监测盲区，当燃气管道发生泄漏极易在这些相邻空间行成大量积聚，进而引发燃爆事故。

目前，国内外工业点型可燃气体浓度监测装置和家用可燃气体浓度监测装置一般都应用在地上空间。这种类型的监测装置无法满足地下燃气管道潮湿、背光的环境要求，同时也无法满足地下燃气管道多传感的接入和多传感的器融合的测量需求。因此迫切需要一种多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置。

实用新型内容

本申请的实施例提供一种基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，不受湿度、氧气浓度、气体交叉敏感性的影响，且多传感相互融合，不仅能提高气体浓度的监测能力，还能提高设备管理、应急处置、检修维护的水平。

为达到上述目的，本申请的实施例提供了一种基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，包括防爆金属壳体和设置在所述防爆金属壳体内的单片机、甲烷激光气体传感器、无线通讯模块和GPS模块；所述单片机通过UART1口与甲烷激光气体传感器连接，所述单片机通过USB口与无线通讯模块连接，所述单片机通过GPIO口模拟UART通讯与GPS定位模块连接；所述甲烷激光气体传感器能够检测燃气管道井内甲烷气体的浓度；所述GPS模块能够提供监测装置现场安装位置信息；所示无线通讯模块为装置提供无线通讯，将监测数据传输至指定数据平台；所述单片机能够将接收到的甲烷气体的浓度信号，通过无线通讯模块传输至指定数据平台。

进一步地，所述单片机采用STM32F407VGT6型单片机，其采用ARM Cortex-M4内核，最大主频168MHz，内置高速存储器，具有I/O端口和连接到两条APB总线的外设。

进一步地，所述甲烷激光气体传感器采用XHTD-CH₄型激光点式传感器；所述无线通讯模块包括ME3630-W型4G通讯模块；所述GPS模块采用ATGM336H-5N31全星座定位模块。

进一步地，还包括SIM7020E型NB-IOT无线通讯模块、AS10-M4463D型433MHz无线通讯模块或AW516X型Zigbee无线通讯模块；所述单片机通过USB口与SIM7020E型NB-IOT无线通讯模块连接；所述单片机通过SPI口与AS10-M4463D型433MHz无线通讯模块连接；所述单片机通过UART3口与AW516X型Zigbee模块

进一步地，还包括液位传感器，所述液位传感器采用ZX-SS01型浮球式液位传感器；所述单片机通过GPIO口与所述液位传感器连接。

进一步地，还包括温湿度传感器，所述温湿度传感器采用TH10S-B型温湿度传感器；所述单片机通过UART2口与所述温湿度传感器连接。

进一步地，还包括光感传感器，所述光感传感器采用BH1750FVI环境光传感器；所述单片机通过I²C口与所述光感传感器连接。

进一步地，还包括红外模块，所述红外模块采用HS0038红外接收器；所述单片机通过GPIO口与所述红外模块连接。

进一步地，还包括显示模块，所述显示模块采用ENH12864-204KQ型单色显示模块；所述单片机通过GPIO口与所述显示模块连接。

进一步地，还包括电源模块，所述电源模块采用ER34615-8+RHC1550型锂电池；所述电源模块通过线缆分别与所述单片机、所述甲烷激光气体传感器、所述无线通讯模块和所述GPS模块连接。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

1、本申请实施例采用甲烷激光气体传感器对泄漏的燃气进行检测，不受湿度、氧气浓度和气体交叉敏感性的影响，非常适合地下燃气管道泄漏监测和燃气管道相邻空间的气体浓度监测。

2、本申请实施例采用多种传感器实现气体浓度、液位、温度、湿度、光照等参数的监测；多传感相互融合，不仅能提高气体浓度的监测能力，还能提高设备管理、应急处置、检修维护的水平。

3、本申请实施例采用耐低温大容量锂电池作为电源模块为整个装置供电，解决窨井、燃气管道井内无电能无法安装通用监测装置的问题。

4、本申请实施例采用GPS定位模块和无线通讯模块，解决了窨井、燃气管道井内无有线通信网络的问题和装置在城市内安装数量众多、分布广泛致使设备难以管理的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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申请的一些实施例，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为本申请实施例一种基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸地连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1，本申请的实施例提供了一种基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，包括防爆金属壳体(图中未示)和连接在在防爆金属壳体内的单片机、甲烷激光气体传感器、液位传感器、温湿度传感器、光感传感器、显示模块、无线通讯模块、GPS模块、红外模块和电源模块。

单片机是监测装置的中央处理器，负责与各传感器通讯和各模块通讯交互，对采集的多传感器数据进行融合分析、计算、判断，最终形成融合后的数据结果，通过显示模块显示和无线通讯模块发送至指定数据平台。当甲烷气体的浓度、水位高度、温度和湿度或光照度高于对应的设定的安全阈值时，单片机还能够向报警装置发送报警信号，报警装置报警。

具体的，单片机采用STM32F407VGT6型单片机，其采用ARM Cortex-M4内核，最大主频168MHz。该单片机通过UART1口与甲烷激光气体传感器连接，通过GPIO口与液位传感器连接，通过UART2口与温湿度传感器连接，通过I²C口与光感传感器连接，通过USB口与无线通讯模块连接，通过GPIO口模拟UART通讯与GPS定位模块连接，通过GPIO口与红外模块连接，通过GPIO口与显示模块连接，通过线缆与电源模块连接。具体的，各模块之间的电气连接采用线缆或线路板焊接的形式与单片机连接。

甲烷激光气体传感器采用XHTD-CH₄型激光点式传感器，其特点是：稳定可靠、不受其他气体的干扰、温湿度特性优异且精度高功耗低。具体的，XHTD-CH₄型传感器工作温度-40-70℃，工作湿度0-98％RH，量程范围0-20％VOL，检测精度0.01％VOL。工作电压3.0-5.5V，工作电流≤50mA。这样，作为重点监测传感器之一，甲烷激光气体传感器能够将甲烷气体浓度转换为标准的电信号，单片机监测读取此标准电信号即可感知甲烷气体的浓度，单片机通过分析和辅助传感参数的计算分析，形成最终监测参数和产生管道泄漏的报警信号。另外，甲烷激光气体传感器仅对甲烷气体有高灵敏的响应，同时不受地下空间湿度氧气含量的影响。

液位传感器能够检测窨井、燃气管道井内的水位高度。当窨井内的水位淹没液位测量点时液位传感器会产生一个开关报警信号。液位传感器的液位报警测量点位于激光气体传感器和温湿度传感器的下方，该结构是当窨井内的水位到达设定高度后液位传感器会先报警，单片机将信号发送至监控平台并预警，监控平台此时开启排水设备或通知维护人员前往处置，防止水位淹没其它传感器和整个监测装置。液位传感器同时还可以作为城市内涝的监测传感器，用于监测窨井、雨污管道是否发生堵塞或地面是否发生严重内涝。具体的，液位传感器采用ZX-SS01型浮球式液位传感器，传感导杆外套永磁浮球，工作温度-40-120℃，最大通电电流1A，最大工作压力1MPa，长度200mm，浮球尺寸φ26*26*10mm，材质SUS304。

温湿度传感器用于检测窨井、燃气管道井内的温度和湿度。具体的，温湿度传感器采用TH10S-B型温湿度传感器，其温度测量范围为-40-85℃，湿度测量范围0-100％RH，温度测量精度±0.5℃，湿度测量精度±5％RH，供电电压DC5—12V，产品尺寸φ16*70mm，材质SUS304，传感器带安装支架和安装螺纹，用以安装在窨井内检测区域。

光感传感器用于检测窨井、燃气管道井内的光照度。主要用于监测井盖是否开启，当人为开启井盖或井盖脱离正常安装位置后，光感传感器监测到光线变化，从而发出井盖开启的信号。单片机分析相关信息后根据判断逻辑将信号发送至监控平台。由于地下燃气管道、阀门井、窨井内一般不具备有线通信网络，因此必须配备无线通讯模块，为装置提供无线通讯，以满足应用的需要。具体的，光感传感器采用BH1750FVI环境光传感器，其供电电压2.4V～3.6V，工作温度-40℃～+85℃，接口形式为I²C，传感器内置光敏二极管、运算放大器、16位ADC数据转换器，光照度范围0-65535lx，待机电流10nA，带光噪声抑制功能，受红外线影响小。

无线通讯模块必包含ME3630-W型4G通讯模块，同时可选用增加NB-IOT、433M、Zigbee、LORA无线通讯模块。需要说明的是，无线通信模块不限于NB-IOT、433M、Zigbee、LORA，还可以是蓝牙、WIFI等，此处不做限制。

具体的，ME3630-W型4G通讯模块LTECat.4七模全网通封装超薄小尺寸LTE模组，接口形式为高速USB 2.0，数据传输速度可达480Mbps，支持分集天线。

同时可选用增加SIM7020E型NB-IOT无线通讯模块，其支持PSM和eDRX低功耗模式，支持多频段无线通讯，信号范围覆盖较广，支持UART通讯。

还可选用增加AS10-M4463D型433MHz无线通讯模块，其具有接收灵敏度高，抗干扰能力强，工作频段425M-525MHz范围内可调节，通讯距离2000米，最大发射功率20dBm，接口形式支持SPI通讯，休眠状态电流0.5uA。

还可选用增加AW516X型Zigbee模块，其频率范围为2400-2500MHz，发射功率20dBm，接收灵敏度-95dBm，工作温度-40℃～+85℃，支持UART通讯。

还可选用增加RA-01型LORA无线通讯模块，其支持多种调制方式，频率范围410-525MHz，接收灵敏度-148dBm，发射功率18dBi，支持SPI通讯形式。

因城市地下燃气管道、阀门井、窨井数量众多且分布广泛，因此设备自带的GPS模块能提供每台设备的位置信息，方便设备管理、事故隐患排查、检修和维护。具体的，GPS模块采用ATGM336H-5N31全星座定位模块。此模块支持GPS和BDS的卫星定位模块，定位精度2.0米，供电电压2.7-3.6V，工作典型功耗低至25mA，接口形式支持UART和I2C。由此，GPS模块设备能够提供每台设备的位置信息。

红外模块用于在设备调试和设置时接收红外遥控器的信号。具体的，红外模块采用HS0038红外接收器，其接收红外信号频率为38kHz，内含光电探测器、前置放大器、滤波器，接收距离35米，方向性±45°，每秒接收脉冲数量800个，环氧封装外罩金属护网，支持通用红外遥控器。

显示模块用于显示设备状态和监测信息。具体的，显示模块采用ENH12864-204KQ型单色显示模块。其白底黑字，带中文字库，带2颗LED侧背光，视窗尺寸39.8*25.5mm。电源模块采用耐低温大容量的ER34615-8+RHC1550型锂电池。

由于监测装置通常都安装在无电能的窨井、燃气管道井内，因此，耐低温大容量的锂电池能够为整个装置提供电能。具体的，电源模块采用ER34615-8+RHC1550型锂电池，其特性在于耐低温大容量，工作温度-40℃～+85℃，标称电压为3.6V，标称容量200Ah，全密封结构包装。由此，电源模块通过线缆分别与甲烷激光气体传感器、液位传感器、温湿度传感器、光感传感器、显示模块和无线通讯模块电连接后，能够为上述模块提供电能。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，其特征在于，包括防爆金属壳体和设置在所述防爆金属壳体内的单片机、甲烷激光气体传感器、无线通讯模块和GPS模块；

所述单片机通过UART1口与甲烷激光气体传感器连接，所述单片机通过USB口与无线通讯模块连接，所述单片机通过GPIO口模拟UART通讯与GPS定位模块连接；

所述甲烷激光气体传感器能够检测燃气管道井内甲烷气体的浓度；所述GPS模块能够提供每台设备的位置信息；所示无线通讯模块为装置提供无线通讯，将监测数据传输至指定数据平台；

所述单片机能够将接收到的甲烷气体的浓度信号，通过无线通讯模块传输至指定数据平台。

2.根据权利要求1所述的基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，其特征在于，所述单片机采用STM32F407VGT6型单片机，其采用ARM Cortex-M4内核，最大主频168MHz，内置高速存储器，具有I/O端口和连接到两条APB总线的外设。

3.根据权利要求1所述的基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，其特征在于，所述甲烷激光气体传感器采用XHTD-CH₄型激光点式传感器；所述无线通讯模块包括ME3630-W型4G通讯模块；所述GPS模块采用ATGM336H-5N31全星座定位模块。

4.根据权利要求3所述的基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，其特征在于，还包括SIM7020E型NB-IOT无线通讯模块、AS10-M4463D型433MHz无线通讯模块或AW516X型Zigbee无线通讯模块；所述单片机通过USB口与SIM7020E型NB-IOT无线通讯模块连接；所述单片机通过SPI口与AS10-M4463D型433MHz无线通讯模块连接；所述单片机通过UART3口与AW516X型Zigbee模块。

5.根据权利要求1所述的基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，其特征在于，还包括液位传感器，所述液位传感器采用ZX-SS01型浮球式液位传感器；所述单片机通过GPIO口与所述液位传感器连接。

6.根据权利要求1所述的基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，其特征在于，还包括温湿度传感器，所述温湿度传感器采用TH10S-B型温湿度传感器；所述单片机通过UART2口与所述温湿度传感器连接。

7.根据权利要求1所述的基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，其特征在于，还包括光感传感器，所述光感传感器采用BH1750FVI环境光传感器；所述单片机通过I²C口与所述光感传感器连接。

8.根据权利要求1所述的基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，其特征在于，还包括红外模块，所述红外模块采用HS0038红外接收器；所述单片机通过GPIO口与所述红外模块连接。

9.根据权利要求1所述的基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，其特征在于，还包括显示模块，所述显示模块采用ENH12864-204KQ型单色显示模块；所述单片机通过GPIO口与所述显示模块连接。

10.根据权利要求1所述的基于激光多传感的地下相邻空间气体浓度监测装置，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块采用ER34615-8+RHC1550型锂电池；所述电源模块通过线缆分别与所述单片机、所述甲烷激光气体传感器、所述无线通讯模块和所述GPS模块连接。