本實(shí)用新型涉及一種適用于工業(yè)局域環(huán)境氣體監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)可以對工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)或其他工業(yè)應(yīng)用場合中局部區(qū)域內(nèi)的氣體進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集，并可以通過藍(lán)牙通信的方式被移動智能設(shè)備等外部設(shè)備訪問。

背景技術(shù)：

近年來隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，工業(yè)環(huán)境監(jiān)測及工業(yè)危害防治日益受到社會重視。在一些工業(yè)生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生并排放一些對人體有害的氣體。用于工業(yè)生產(chǎn)的化工氣體泄漏也會帶來不良的后果。所以有必要對工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的工業(yè)氣體進(jìn)行監(jiān)測。尤其是在一些工業(yè)事故處理或應(yīng)急處置當(dāng)中，也需要快速地對環(huán)境中的工業(yè)氣體的含量進(jìn)行快速實(shí)時地監(jiān)測。在對工業(yè)環(huán)境氣體的監(jiān)測中，局域監(jiān)測十分重要。局域氣體的監(jiān)測值不僅可以用于分布式環(huán)境監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集，而且還可用于對特定位置的有側(cè)重的獨(dú)立觀測。另外在對局域工業(yè)氣體的環(huán)境監(jiān)測中，往往還希望系統(tǒng)滿足結(jié)構(gòu)簡單、布設(shè)方便、安置迅速、成本低廉、功耗低、無需外部供電及對移動智能設(shè)備支持度好等條件。

在對工業(yè)場合的氣體監(jiān)測中，多采用節(jié)點(diǎn)-上位機(jī)方式。節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集及發(fā)送，上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理等。這一結(jié)構(gòu)的好處是將復(fù)雜的后處理工作置于上位機(jī)中，這不僅可以簡化節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，也可以節(jié)省節(jié)點(diǎn)的成本、提升節(jié)點(diǎn)工作的可靠性。節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的方式可分為有線及無線兩種方式。在有線方式中，節(jié)點(diǎn)利用CAN總線、RS485總線、以太網(wǎng)或FDDI光纖總線等方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。有線方式需要鋪設(shè)線路，架設(shè)成本高、建設(shè)周期長、難以實(shí)現(xiàn)快速地布設(shè)與維護(hù)。近年來無線數(shù)據(jù)傳輸方式得到了蓬勃的發(fā)展。節(jié)點(diǎn)通過GPRS、3G、4G或者ZigBee等方式與上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信。但是如果采用GPRS、3G或者4G通信方式時，必須要有移動網(wǎng)絡(luò)的支持。但是在一些工業(yè)場合中由于廠區(qū)位置或車間電磁干擾等因素難以接收到移動網(wǎng)絡(luò)的信號或信號較差，這使得該類型的傳輸方式應(yīng)用受限。另外基于移動網(wǎng)絡(luò)的通信方式中通信模塊的較高成本也是一個需要重視的問題。如果采用ZigBee為基礎(chǔ)構(gòu)建節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸通道，其難以與近年來蓬勃發(fā)展的移動智能設(shè)備兼容。如果要令節(jié)點(diǎn)發(fā)來的ZigBee數(shù)據(jù)被移動智能設(shè)備接收，則需要額外設(shè)立網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器進(jìn)行對應(yīng)處理。這不僅增加了成本，而且還提高了系統(tǒng)復(fù)雜度。

近年來藍(lán)牙技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。隨著藍(lán)牙4.0/BLE規(guī)范的提出與應(yīng)用，符合藍(lán)牙4.0/BLE規(guī)范設(shè)備的設(shè)備功耗得到了較大程度的降低(在一些情況下使用紐扣電池即可工作數(shù)年之久)，其成本也得到了一定程度的下降。此外符合藍(lán)牙4.0/BLE標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備還具有延遲低、有效連接距離長、支持AES-128加密與對移動智能設(shè)備支持好等優(yōu)點(diǎn)，有望在無線監(jiān)測領(lǐng)域得到較好的推廣應(yīng)用。近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)與傳感器技術(shù)的發(fā)展，低功耗嵌入式系統(tǒng)與具有較高集成度的氣體傳感器有望使工業(yè)環(huán)境氣體監(jiān)測的成本與集成度得到較大程度的優(yōu)化?；谒{(lán)牙4.0/BLE技術(shù)、低功耗嵌入式技術(shù)與新型氣體傳感器技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高集成度、布設(shè)方便、能耗低且對移動設(shè)備有較好支持的工業(yè)氣體環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是針對在工業(yè)場合中對局域環(huán)境區(qū)間上的工業(yè)氣體含量進(jìn)行監(jiān)測的需求，通過監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集工業(yè)上使用或排放的氧氣、一氧化碳、環(huán)氧乙烷、氫氣、硫化氫、二氧化氮、一氧化氮及二氧化硫八種氣體的濃度，為小型化、智能化的工業(yè)環(huán)境氣體監(jiān)測提供工程化的支持。節(jié)點(diǎn)需能獨(dú)立自主工作，并能夠支持移動智能設(shè)備訪問。此外該局域工業(yè)環(huán)境氣體監(jiān)測節(jié)點(diǎn)還需滿足結(jié)構(gòu)簡單、布設(shè)方便迅速、低功耗及無需外部供電等要求。

為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是提供一種基于藍(lán)牙技術(shù)的局域工業(yè)環(huán)境氣體監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，其特征在于：包括

用于采集測量環(huán)境中氣體的氣體傳感部分；

用于采集測量環(huán)境中溫濕度的環(huán)境溫濕度參數(shù)傳感部分；

用于采集環(huán)境氣壓的環(huán)境氣壓傳感部分；

用于讀取各傳感部分的采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲和分析處理的核心處理部分；

用于實(shí)現(xiàn)核心處理部分與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃{(lán)牙通信部分；

用于給系統(tǒng)各部分提供不需要外部電源輸入的穩(wěn)定供電的系統(tǒng)供電部分。

優(yōu)選地，還包括用于容納系統(tǒng)各部分、防止其受潮的防水箱。

優(yōu)選地，所述氣體傳感部分包括氧氣傳感器模塊、一氧化碳傳感器模塊、環(huán)氧乙烷傳感器模塊、氫氣傳感器模塊、硫化氫傳感器模塊、二氧化氮傳感器模塊、一氧化氮傳感器模塊及二氧化硫傳感器模塊。

優(yōu)選地，所述環(huán)境溫濕度參數(shù)傳感部分為溫濕度一體式傳感器。

優(yōu)選地，所述核心處理部分為依照設(shè)定的間隔讀取各傳感器部分的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析處理后，通過藍(lán)牙通信部分發(fā)出給外部設(shè)備的單片機(jī)。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)供電部分為鉛酸電池。

優(yōu)選地，所述鉛酸電池連接高低壓轉(zhuǎn)換模塊，高低壓轉(zhuǎn)換模塊通過去耦電容與系統(tǒng)各部分連接供電。

優(yōu)選地，所述防水箱表面貼敷有可供移動智能設(shè)備掃描的、能提供其接入節(jié)點(diǎn)所需的藍(lán)牙信息的二維碼。

本實(shí)用新型結(jié)合藍(lán)牙4.0/BLE技術(shù)、低功耗嵌入式技術(shù)與新型氣體傳感器技術(shù)，形成可以對工業(yè)區(qū)域局部環(huán)境下常見工業(yè)用氣體及工業(yè)排放氣體進(jìn)行監(jiān)測，支持移動智能設(shè)備訪問、低成本、低功耗、易安裝維護(hù)并可獨(dú)立工作的數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。

本實(shí)用新型提供了一種可用于工業(yè)局域氣體監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)設(shè)計。該節(jié)點(diǎn)可以不間斷地獲取周圍環(huán)境中常見工業(yè)氣體及工業(yè)排放物的含量，并可采集輔助的溫濕度及氣壓數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)還可方便地利用移動智能設(shè)備上的藍(lán)牙進(jìn)行訪問。其可為工業(yè)過程監(jiān)測、工業(yè)危害事故處理、環(huán)境治理等領(lǐng)域的相關(guān)需求提供具有結(jié)構(gòu)簡單、布設(shè)方便、安置迅速、成本低廉、功耗低、無需外部供電及對移動智能設(shè)備支持度好等優(yōu)點(diǎn)的工程支持。

附圖說明

圖1：基于藍(lán)牙技術(shù)的局域工業(yè)環(huán)境氣體監(jiān)測節(jié)點(diǎn)原理示意圖；

圖2：RN4020與PIC16LF1947的連接方式；

圖3：各氣體傳感器模塊與PIC16LF1947的連接方式；

圖4：SHT11與PIC16LF1947的連接方式；

圖5：MPL3115A2 PIC16LF1947的連接方式；

圖6：系統(tǒng)供電部分結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本實(shí)用新型講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本實(shí)用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

圖1為本實(shí)施例提供的基于藍(lán)牙技術(shù)的局域工業(yè)環(huán)境氣體監(jiān)測節(jié)點(diǎn)原理示意圖，所述的基于藍(lán)牙技術(shù)的局域工業(yè)環(huán)境氣體監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由核心處理部分、藍(lán)牙通信部分、氣體傳感部分、環(huán)境溫濕度參數(shù)傳感部分、環(huán)境氣壓傳感部分、系統(tǒng)供電部分及防水箱組成。

核心處理部分選用低功耗8位單片機(jī)。核心處理部分主要負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的管理，其由低功耗單片機(jī)及其外圍電路組成。低功耗單片機(jī)在工作中依照固定的時間間隔讀取傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在單片機(jī)的內(nèi)部存儲空間中。當(dāng)有移動智能設(shè)備接入節(jié)點(diǎn)、通過藍(lán)牙模塊向低功耗單片機(jī)發(fā)送讀取請求后，低功耗單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)出，并在傳輸完成后將存儲空間中的數(shù)據(jù)清零。單片機(jī)還負(fù)責(zé)監(jiān)測系統(tǒng)供電，如系統(tǒng)供電過低，則發(fā)出告警請求。低功耗單片機(jī)推薦選用在有一定電磁干擾環(huán)境下具有較高工作可靠性的8位單片機(jī)。其還應(yīng)具有較好的AD轉(zhuǎn)換性能和較為完備的接口，以便連接傳感器及外部設(shè)備。

藍(lán)牙通信部分選用支持藍(lán)牙4.0/BLE規(guī)范的藍(lán)牙通信模塊。藍(lán)牙通信部分承擔(dān)節(jié)點(diǎn)與移動設(shè)備之間的通信，藍(lán)牙通信模塊應(yīng)選擇完整支持藍(lán)牙4.0/BLE規(guī)范的模塊。為了簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，推薦使用具有UART、I2C接口的模塊。通常希望移動智能設(shè)備與節(jié)點(diǎn)之間有一定距離。所以模塊的正常傳輸距離宜大于10m。

氣體傳感部分由可產(chǎn)生易于被單片機(jī)采集數(shù)據(jù)輸出的氧氣傳感器模塊、一氧化碳傳感器模塊、環(huán)氧乙烷傳感器模塊、氫氣傳感器模塊、硫化氫傳感器模塊、二氧化氮傳感器模塊、一氧化氮傳感器模塊及二氧化硫傳感器模塊組成。為了簡化維護(hù)工作，推薦使用穩(wěn)定工作壽命大于3個月的氣體傳感器模塊。模塊還應(yīng)具備校準(zhǔn)功能，以便平衡由于傳感器長時期工作所引起的材料老化所帶來的誤差。另外在實(shí)現(xiàn)中推薦使用有穩(wěn)定模擬電壓輸出的傳感器模塊，以便方便被單片機(jī)采集，并易于實(shí)現(xiàn)傳感器根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合的調(diào)整。

環(huán)境溫濕度參數(shù)傳感部分用于采集測量環(huán)境中的溫濕度，以便系統(tǒng)維護(hù)與管理。環(huán)境溫濕度參數(shù)傳感部分應(yīng)盡可能選擇溫濕度一體式傳感器，傳感器最好具有UART或I2C等數(shù)字輸出，最好為表帖封裝形式，以便實(shí)現(xiàn)高集成度的節(jié)點(diǎn)設(shè)計。

環(huán)境氣壓傳感部分用于采集環(huán)境氣壓，以便提供測量環(huán)境的氣壓參考值。環(huán)境氣壓傳感部分用于監(jiān)測環(huán)境氣壓，推薦選用具有UART、12C接口的氣壓傳感模塊。模塊應(yīng)盡可能小型化，以便與核心處理部分集成在同一塊PCB板上。

系統(tǒng)供電部分用于給系統(tǒng)提供不需要外部電源輸入的穩(wěn)定供電。由于鉛酸電池具有較高的穩(wěn)定度與可靠性，所以系統(tǒng)選用鉛酸電池作為系統(tǒng)供電。鉛酸電池的輸出通過DC-DC方式變換到較低的電壓值上，之后通過LDO的方式為系統(tǒng)各部分提供穩(wěn)定低噪聲的供電。在系統(tǒng)各模塊的電壓輸入端，應(yīng)布置去耦電容以進(jìn)一步提高供電質(zhì)量。當(dāng)核心處理部分的單片機(jī)發(fā)現(xiàn)鉛酸電池輸出電壓較低時，單片機(jī)驅(qū)動一蜂鳴器進(jìn)行報警。

防水箱用于容納以上電路與傳感器部分。在其表面貼敷一個可供移動智能設(shè)備掃描的二維碼以便提供其接入節(jié)點(diǎn)所需的藍(lán)牙信息。

系統(tǒng)的主要功能組合如下：

[1]系統(tǒng)上電后，核心處理部分中的單片機(jī)對分壓后的鉛酸電池輸出電壓進(jìn)行采樣。如果輸出電壓正常，則進(jìn)入數(shù)據(jù)采集過程；否則通過蜂鳴器發(fā)出報警信號。

[2]在單片機(jī)的內(nèi)部存儲空間中劃出一數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，并初始化一個數(shù)據(jù)指針指向該存儲空間的開始處。單片機(jī)還設(shè)置一個采樣間隔，并依照該采樣間隔讀取傳感器數(shù)據(jù)。

[3]開始進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，并將獲取后得到的數(shù)據(jù)依次放入存儲空間中。并將數(shù)據(jù)指針執(zhí)行加一操作。如果數(shù)據(jù)指針到達(dá)存儲空間的結(jié)尾處，則將其重定向到數(shù)據(jù)空間的開始處，這樣下一次采集到的數(shù)據(jù)將覆蓋較舊的數(shù)據(jù)。

[4]每一次數(shù)據(jù)獲取結(jié)束后檢查鉛酸電池的輸出電壓，如果輸出電壓低于閾值，則通過蜂鳴器報警。

[5]當(dāng)有智能設(shè)備通過藍(lán)牙與節(jié)點(diǎn)連接后，節(jié)點(diǎn)依次將傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)按照從新到舊的順序通過藍(lán)牙發(fā)往智能設(shè)備。如果發(fā)送成功，則將數(shù)據(jù)空間清零，數(shù)據(jù)指針重新指向數(shù)據(jù)空間的開始位置。如果發(fā)送被異常中斷，則數(shù)據(jù)空間不清零，數(shù)據(jù)指針的位置也不變化。當(dāng)發(fā)送成功或傳輸異常中斷后，單片機(jī)等待一個采樣間隔對應(yīng)的時長后開始下一次采樣。

在某一具體實(shí)施例中，核心處理部分的單片機(jī)選擇微芯公司出品的PIC16LF1947單片機(jī)。PIC16LF1947為采用nanoWatt XLP技術(shù)的64引腳8位CMOS閃存單片機(jī)。其具有較低的功耗，具有較好的抗電磁干擾特性。其內(nèi)還可提供兩個支持SPI和I2C的主同步串行端口及兩個與RS-232、RS-485、LIN兼容、可自動波特率檢測增強(qiáng)型通用同步/異步收發(fā)器。在實(shí)施中，PIC16LF1947單片機(jī)采用3.3V供電，在供電引腳處設(shè)置一0.1uF的0805封裝的表貼陶瓷電容用于去耦。PIC16LF1947單片機(jī)的工作時鐘采用其內(nèi)部振蕩器，工作頻率設(shè)定為16MHz。實(shí)施中PIC16LF1947選用TQFP-64封裝。數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)定為128秒。

節(jié)點(diǎn)中藍(lán)牙模塊選擇微芯公司出品的RN4020藍(lán)牙模塊，該模塊滿足藍(lán)牙4.0/BLE規(guī)范設(shè)備的要求。模塊采用GFSK調(diào)制方式，最大傳輸速率為1Mbps，最大傳輸距離可達(dá)到100米。RN4020與PIC16LF1947的連接方式如圖2所示。(括號中為該元件的管腳號，下同)

節(jié)點(diǎn)上氧氣傳感器、一氧化碳傳感器、環(huán)氧乙烷傳感器、氫氣傳感器、硫化氫傳感器、二氧化氮傳感器、一氧化氮傳感器及二氧化硫傳感器分別選擇城市技術(shù)公司出品的4OXV、4CM、4ETO、4HYT、4HS+、4ND、4NT、4S Rev2。上述傳感器使用城市技術(shù)公司B30X-L5系列的4系引線板連接到城市技術(shù)公司生產(chǎn)的0.4-2.0V電壓輸出智能變送傳輸板上，形成對應(yīng)的傳感器模塊。智能變送傳輸板根據(jù)傳感器測量值產(chǎn)生的電壓輸出供PIC16LF1947單片機(jī)進(jìn)行AD采集。AD采樣中PIC16LF1947的采樣精度為10位，參考電壓設(shè)定為2.048V。各氣體傳感器模塊與PIC16LF1947的連接方式如圖3所示。

環(huán)境溫濕度傳感器選擇瑞士SENSIRION公司生產(chǎn)的SHT11溫濕度傳感器，該傳感器具有較低的功耗及卓越的長期穩(wěn)定性。其可提供12位分辨率的濕度數(shù)據(jù)及14位分辨率的溫度數(shù)據(jù)。SHT11在節(jié)點(diǎn)中使用3.3V供電，在其供電引腳處設(shè)置一0805封裝、100nF的電容。SHT11與PIC16LF1947連接的數(shù)據(jù)線需用阻值10KΩ、0805封裝的電阻進(jìn)行上拉。該傳感器與PIC16LF1947的連接方式如圖4所示。

環(huán)境氣壓傳感器采用飛思卡爾MPL3115A2，其測量范圍為20kPa到110kPa。該傳感器可以將環(huán)境氣壓數(shù)據(jù)通過I2C接口發(fā)往PIC16LF1947。MPL3115A2在節(jié)點(diǎn)中使用3.3V供電，在其供電引腳處設(shè)置一0805封裝、0.1uF的電容。MPL3115A2與PIC16LF1947連接的數(shù)據(jù)線需用阻值10KΩ、0805封裝的電阻進(jìn)行上拉。MPL3115A2 PIC16LF1947的連接方式如圖5所示。

系統(tǒng)供電選用賽特12V12AH BT-12M12AC免維護(hù)鉛酸蓄電池。蓄電池的輸出通過LM2596-5型DC-DC芯片加以轉(zhuǎn)換，得到5.0V輸出電壓。該5.0V電壓可以給各氣體傳感器模塊的智能變送傳輸板使用。由于該傳輸板上已經(jīng)設(shè)有電壓濾波等部分，所以不需要設(shè)置額外的濾波去耦器件。LM2596-5型DC-DC芯片輸出的5.0V電壓還通過LM1117-3.3芯片輸出3.3V電壓，從而為PIC16LF1947、SHT11、MPL3115A2提供供電。鉛酸電池的輸出還需要經(jīng)過10KΩ：100KΩ的電阻分壓被PIC16LF1947進(jìn)行AD采集，分壓電阻為0805封裝，精度為1％的表帖電阻。當(dāng)鉛酸電池輸出電壓小于11V時PIC16LF1947通過導(dǎo)通有源蜂鳴器串聯(lián)的三極管進(jìn)行低電壓報警。三極管采用TO92封裝的8050三極管，蜂鳴器串聯(lián)電阻為100Ω。系統(tǒng)供電部分結(jié)構(gòu)如圖6所示。

節(jié)點(diǎn)防水箱采用斯普威爾外形尺寸為250cm×360cm×150cm的合頁型帶扣防水盒。節(jié)點(diǎn)的電路部分置于該防水箱中。在其表面貼敷一個邊長10cm的正方形的可供移動智能設(shè)備掃描的QR編碼格式的二維碼以便提供其接入節(jié)點(diǎn)所需的藍(lán)牙信息。二維碼中寫入藍(lán)牙ID及節(jié)點(diǎn)ID。