專利名稱：一種便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有毒氣體環(huán)境中危險報警，環(huán)境監(jiān)測、檢測數(shù)據(jù)和報警信息的自動無 線傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置及方法。
背景技術(shù)：
石油化工行業(yè)中經(jīng)常會出現(xiàn)毒性氣體泄漏、釋放、排放等情況發(fā)生，作業(yè)人員在工 作時面臨暴露在有毒氣體中的風(fēng)險，存在中毒危險。目前的解決辦法是給可能暴露于毒性 氣體環(huán)境的作業(yè)人員配備便攜式毒性氣體報警裝置，作業(yè)人員攜帶報警裝置進入危險環(huán)境 中，如遇到泄漏、排放造成的環(huán)境中有毒氣體的濃度超過一定限值，檢測報警裝置檢測到濃 度數(shù)值超標(biāo)，就會發(fā)出報警信息提示操作人員遠離危險區(qū)域。在大多數(shù)情況下，這種個體防護的方式和裝置能保護作業(yè)人員免遭中毒死亡或者 致殘，但是在有時環(huán)境中突然出現(xiàn)較高濃度的毒性氣體或者進入存在較高濃度毒性氣體的 環(huán)境時，現(xiàn)有的便攜式儀器因為響應(yīng)時間的問題可能不能夠及時發(fā)出危險報警，作業(yè)人員 已經(jīng)發(fā)生中毒，而巡檢等作業(yè)往往是獨自進行，何時發(fā)生了危險、在何地發(fā)生危險并沒有其 他人知道，搶救和救援工作也無法開展。與此同時因為監(jiān)測和檢測數(shù)據(jù)沒有共享和分析利用，有可能出現(xiàn)其他人員因為不 了解情況有可能再次進入危險區(qū)域或者看到有人中毒而盲目進入危險區(qū)域救援造成更大 程度的事故傷害的問題。也無法解決具有無線傳輸功能的電子檢測或監(jiān)測設(shè)備用電量大， 電池工作時間短，電源設(shè)備不宜攜帶等問題。要想解決現(xiàn)有監(jiān)測、檢測和報警裝置的上述問題需要有多種監(jiān)測和檢測參數(shù)配 合，并且監(jiān)測和檢測數(shù)據(jù)要能夠?qū)崟r共享，監(jiān)測和檢測數(shù)據(jù)要集中分析和利用從而實現(xiàn)對 作業(yè)人員進行全面的監(jiān)控，隨時了解作業(yè)人員所處的位置、工作環(huán)境條件有害氣體濃度、人 員活動狀態(tài)。現(xiàn)有技術(shù)中，本發(fā)明與CN101216987A《化學(xué)品泄漏事故應(yīng)急無線毒性氣體檢測儀》 相比，都采用了無線傳輸?shù)募夹g(shù)，但是兩者的設(shè)計目的和實現(xiàn)方法是不同的，該現(xiàn)有技術(shù)主 要用于事故應(yīng)急，測量參數(shù)是毒性氣體的濃度和風(fēng)速與風(fēng)向，帶GPS定位。本發(fā)明目的是為 了幫助作業(yè)人員盡早發(fā)現(xiàn)和避免中毒危險，因此除了 GPS定位和毒性氣體濃度檢測外，還 運用加速度傳感器監(jiān)測使用人的活動狀態(tài)，溫濕度傳感器監(jiān)測使用人所處的環(huán)境條件。本 發(fā)明的儀器帶有時間日期芯片，除了在開機時用GPS進行對時校準(zhǔn)外，其他記錄和傳輸信 號的時間標(biāo)記都取自時間日期芯片，既保證了儀器之間的時間一致性，又避免在室內(nèi)或者 其他特殊情況下，GPS無信號無法取得UTC時間的問題。CN101216987A《化學(xué)品泄漏事故應(yīng)急無線毒性氣體檢測儀》所述現(xiàn)有技術(shù)用于事 故應(yīng)急，不作為人員攜帶使用，除一組ID設(shè)置開關(guān)外無人機接口。本發(fā)明與CN2620333Y《能置于安全帽內(nèi)的可燃性、有毒性氣體檢測報警裝置》， CN201025555Y《一種可燃、毒性氣體檢測報警裝置》的原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域和實現(xiàn)效果均完 全不同。CN2840536Y《具毒性氣體檢測功能的移動通訊裝置》與本發(fā)明專利都是檢測有毒氣體濃度，但是該現(xiàn)有技術(shù)沒有無線傳輸，GPS定位，加速度監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測等各種功能，既 不能了解使用者的位置、狀態(tài)、周邊環(huán)境，也不能將檢測和監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳送給監(jiān)管者。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決得技術(shù)問題在于，將無線傳輸技術(shù)、氣體檢測技術(shù)、多種傳感器應(yīng) 用技術(shù)和計算機控制技術(shù)相結(jié)合，針對石油石化行業(yè)人員作業(yè)面臨有毒有害氣體中毒危險 的實際問題，提供一種便攜式毒性氣體監(jiān)測裝置及其方法，為作業(yè)人員提供新型的個體防 護儀器。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，包括中 央監(jiān)測單元和多個檢測儀器，所述中央監(jiān)測單元，用于監(jiān)控管理；所述檢測儀器，為便攜式設(shè)備，其進一步包括電源模塊、毒性氣體傳感器、信號調(diào) 理電路、溫濕度傳感器、加速度傳感器、無線通訊模塊、報警模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、微處 理器及其外圍電路。所述便攜式毒性氣體無 線監(jiān)測裝置，可以進一步包括時鐘日期模塊和GPS模塊。所述電源模塊進一步設(shè)有輸入端和輸出端；所述輸入端與電池相連；所述輸出端能夠轉(zhuǎn)換輸出高壓、中壓、低壓三種電源；所述高壓電源輸出連接到毒性氣體傳感器和信號調(diào)理電路的供電端口 ；所述中壓電源輸出連接到報警模塊的供電端口 ；所述低壓電源輸出連接到微處理器、顯示模塊、鍵盤模塊、溫濕度傳感器、加速度 傳感器、時鐘日期模塊、GPS模塊和無線通訊模塊的供電端口。所述毒性氣體傳感器模塊的信號輸出連接到所述信號調(diào)理電路輸入端；所述信號調(diào)理電路輸出端連接到所述微處理器的AD轉(zhuǎn)換接口 ；所述加速度傳感器連接到所述微處理器的SPI總線；所述無線通訊模塊、GPS模塊輸出端分別連接到所述微處理器的不同UART接口 ；所述溫濕度傳感器通過IO 口模擬I2C總線與所述微處理器連接；所述顯示模塊、報警模塊、鍵盤模塊分別連接到微處理器的IO接口；所述無線通訊模塊上進一步設(shè)有SMA型天線接口，直接與外置式天線相連接。所述微處理器優(yōu)選為低功耗芯片MSP430F249。所述微處理器的工作模式優(yōu)選為中斷模式，初始化完成后，微處理器就進入低功 耗模式，定時器中斷喚醒微處理器，微處理器開始工作，判斷延時是否符合設(shè)定值，如果符 合就采集各個傳感器的數(shù)據(jù)并處理和發(fā)送，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)出報警。所述鍵盤模塊的工作模式優(yōu)選為中斷模式，當(dāng)觸發(fā)鍵盤時，微處理器被喚醒，進行 相應(yīng)功能的操作。所述電源模塊、毒性氣體傳感器、信號調(diào)理電路、溫濕度傳感器、加速度傳感器、無 線通訊模塊、時鐘日期模塊、GPS模塊、報警模塊和顯示模塊都能夠通過微處理器控制其工 作狀態(tài)，在非觸發(fā)時間微處理器處于休眠狀態(tài)。所述無線模塊優(yōu)選采用動態(tài)傳輸調(diào)節(jié)工作模式，每隔5 200秒發(fā)送一組數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測濃度值超過預(yù)設(shè)報警值的一半時，儀器發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率隨著濃度升高線性增加，直至 達到每秒一組數(shù)據(jù)的全速工作頻率。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了一種所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置的 操作方法，包括以下步驟第一步，初始化微處理器的系統(tǒng)時鐘、微處理器IO端口、報警模塊、鍵盤模塊、顯 示模塊、微處理器的AD轉(zhuǎn)換器、微處理器的UART端口、時鐘日期模塊、溫濕度傳感器，并打 開微處理器中斷；第二步，讀取GPS模塊的標(biāo)準(zhǔn)時間對時鐘日期模塊校準(zhǔn)；第三步，顯示歡迎信息、經(jīng)緯度信息、溫濕度信息、加速度信息；第四步，微處理器讀取時鐘日期模塊中的日期和時間信息；第五步，讀取溫濕度模塊的溫度和濕度信息；第六步，讀取GPS模塊的經(jīng)緯度信息和有效性標(biāo)志；第七步，讀取加速度模塊的加速度信息；第八步，讀取毒性氣體傳感器模塊的毒性氣體濃度信息；第九步，比較氣體濃度數(shù)值和報警設(shè)定值如果氣體濃度值大于預(yù)設(shè)的濃度報警 值，微處理器驅(qū)動報警模塊發(fā)出報警，報警后進入第十步；如果氣體濃度值小于或者等于預(yù) 設(shè)的濃度報警值則直接進入第十步；第十步，比較計時時間和預(yù)設(shè)時間延時，如果計時大于延時，計時清零，微處理器 控制無線通訊模塊發(fā)送各項檢測數(shù)據(jù)；第十一步，顯示儀器主界面，顯示各項檢測數(shù)據(jù)；然后，循環(huán)運行第四步到第十一步步驟；在循環(huán)運行第四步到第十一步步驟過程中如果按鍵模塊被觸發(fā)，則微處理器判斷所述觸發(fā)是需要進入校準(zhǔn)傳感器功能還是進入報警設(shè)定功能如果是進入校準(zhǔn)傳感器功能，則讀取零氣AD值、存儲零氣校準(zhǔn)值、輸入標(biāo)氣標(biāo)稱 值、讀取標(biāo)氣AD值、存儲標(biāo)氣校準(zhǔn)值；之后成后返回第四步到第十一步的循環(huán)；如果是進入設(shè)置報警值功能，則接受報警值并存儲報警值；之后返回第四步到第 十一步的循環(huán)；如果是進入消除報警功能則驅(qū)動報警模塊停止報警后返回第四步到第十一步的 循環(huán)。本發(fā)明便攜式毒性氣體監(jiān)測裝置能提供對作業(yè)人員活動的全面監(jiān)測，不僅僅能為 作業(yè)人員自身提供檢測與報警功能，還可讓控制室的監(jiān)管人員隨時了解作業(yè)人員的狀態(tài)。 現(xiàn)有檢測儀僅能檢測某一種或者幾種毒性氣體的體積濃度值，并在超過報警限值時提示使 用者，而本發(fā)明裝置及其檢測方法除了檢測毒性氣體的濃度值外，還檢測和監(jiān)測使用者的 活動姿態(tài)、所處環(huán)境條件、使用者的地理位置信息，采集的數(shù)據(jù)更加全面，并且數(shù)據(jù)會通過 無線通訊模塊實時傳輸?shù)娇刂剖覂?nèi)的中央監(jiān)測單元中，供監(jiān)管者查看。當(dāng)發(fā)生危險情況時， 監(jiān)管者可以立即分析不同位置，不同人員的狀態(tài)，合理做出判斷，發(fā)出指揮和控制命令，大 大提高了掌握現(xiàn)場情況的能力和做出響應(yīng)的正確性和時效性。


圖1為本發(fā)明實施例所述無線檢測儀器總體結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明實施例所述中央監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明實施例所述電源模塊電路圖；其中，圖3a為3. 3V電源轉(zhuǎn)換電路圖； 圖3b為5V電源轉(zhuǎn)換電路圖；圖3c為12V電源轉(zhuǎn)換電路圖；圖4為本發(fā)明實施例所述微處理器與功能模塊電路連接圖；圖5為本發(fā)明實施例所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置的工作流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明涉及一種便攜式儀器及其方法，為了減少電量消耗和延長電池使用時間， 使用的微處理器采用低功耗芯片MSP430F249，程序設(shè)計采用中斷模式，初始化完成后，微處 理器就進入低功耗模式，定時器中斷喚醒微處理器，微處理器開始工作，判斷延時是否符合 設(shè)定值，如果符合就采集各種傳感器的數(shù)據(jù)并處理和發(fā)送，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)出報警。對 于按鍵輸入處理也是采用中斷模式，當(dāng)使用者操作鍵盤時，微處理器被喚醒，進行相應(yīng)功能 的操作。各種外接模塊都可以通過微處理器控制其工作狀態(tài)，在其他時間微處理器都處于 休眠狀態(tài)，其他外設(shè)都由微處理器設(shè)置成最低功耗狀態(tài)，大大節(jié)省用電。無線模塊在發(fā)送數(shù) 據(jù)時功耗比較大，為了減少功耗，儀器采用動態(tài)傳輸調(diào)節(jié)技術(shù)，儀器默認的傳輸頻率是每30 秒發(fā)送一組數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測濃度值超過預(yù)設(shè)報警值的一半時，儀器發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率隨著濃度 升高線性增加，直至達到每秒一組數(shù)據(jù)的全速工作頻率。這樣設(shè)計在平時大多數(shù)時間可以 保證既能夠降低功耗，又不遺漏重要的數(shù)據(jù)。本發(fā)明帶有加速度傳感器，可通過加速的數(shù)據(jù) 判斷人員是停止、倒下或者正常巡檢(巡視并查看工藝和設(shè)備情況)，配合濃度數(shù)據(jù)的檢測 值，可以供監(jiān)管人員判斷使用者是否發(fā)生中毒事故，配合GPS數(shù)據(jù)能發(fā)現(xiàn)中毒者目前的位 置，多種相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合能有效的為作業(yè)人員提供幫助。本發(fā)明專利涉及的便攜式儀器，具有 液晶屏幕和鍵盤輸入等人機接口，儀器ID由程序在初始化時自動設(shè)置。在本發(fā)明的一實施方式中，提供了一種便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，包括中央 監(jiān)測單元和多個檢測儀器，所述中央監(jiān)測單元，用于監(jiān)控管理；所述檢測儀器，為便攜式設(shè)備，其進一步包括電源模塊、毒性氣體傳感器、信號調(diào) 理電路、溫濕度傳感器、加速度傳感器、無線通訊模塊、報警模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、微處 理器及其外圍電路。所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，可以進一步包括時鐘日期模塊和GPS模塊。所述電源模塊進一步設(shè)有輸入端和輸出端；所述輸入端與電池相連；所述輸出端能夠轉(zhuǎn)換輸出高壓、中壓、低壓三種電源；所述高壓電源輸出連接到毒性氣體傳感器和信號調(diào)理電路的供電端口 ；所述中壓電源輸出連接到報警模塊的供電端口 ；所述低壓電源輸出連接到微處理器、顯示模塊、鍵盤模塊、溫濕度傳感器、加速度 傳感器、時鐘日期模塊、GPS模塊和無線通訊模塊的供電端口。所述毒性氣體傳感器模塊的信號輸出連接到所述信號調(diào)理電路輸入端；
所述信號調(diào)理電路輸出端連接到所述微處理器的AD轉(zhuǎn)換接口 ；所述加速度傳感器連接到所述微處理器的SPI總線；所述無線通訊模塊、GPS模塊輸出端分別連接到所述微處理器的不同UART接口 ；所述溫濕度傳感器通過IO 口模擬I2C總線與所述微處理器連接；所述顯示模塊、報警模塊、鍵盤模塊分別連接到微處理器的IO接口；所述無線通訊模塊上進一步設(shè)有SMA型天線接口，直接與外置式天線相連接。所述微處理器優(yōu)選為低功耗芯片MSP430F249。所述微處理器的工作模式優(yōu)選為中斷模式，初始化完成后，微處理器就進入低功 耗模式，定時器中斷喚醒微處理器，微處理器開始工作，判斷延時是否符合設(shè)定值，如果符 合就采集各個傳感器的數(shù)據(jù)并處理和發(fā)送，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)出報警。所述鍵盤模塊的工作模式優(yōu)選為中斷模式，當(dāng)觸發(fā)鍵盤時，微處理器被喚醒，進行 相應(yīng)功能的操作。所述電源模塊、毒性氣體傳感器、信號調(diào)理電路、溫濕度傳感器、加速度傳感器、無 線通訊模塊、時鐘日期模塊、GPS模塊、報警模塊和顯示模塊都能夠通過微處理器控制其工 作狀態(tài)，在非觸發(fā)時間微處理器處于休眠狀態(tài)。所述無線模塊優(yōu)選采用動態(tài)傳輸調(diào)節(jié)工作模式，每隔5 200秒發(fā)送一組數(shù)據(jù)，當(dāng) 檢測濃度值超過預(yù)設(shè)報警值的一半時，儀器發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率隨著濃度升高線性增加，直至 達到每秒一組數(shù)據(jù)的全速工作頻率。在本發(fā)明的另一實施方式中，還提供了 一種所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置的 操作方法，包括以下步驟第一步，初始化微處理器的系統(tǒng)時鐘、微處理器IO端口、報警模塊、鍵盤模塊、顯 示模塊、微處理器的AD轉(zhuǎn)換器、微處理器的UART端口、時鐘日期模塊、溫濕度傳感器，并打 開微處理器中斷；第二步，讀取GPS模塊的標(biāo)準(zhǔn)時間對時鐘日期模塊校準(zhǔn)；第三步，顯示歡迎信息、經(jīng)緯度信息、溫濕度信息、加速度信息；第四步，微處理器讀取時鐘日期模塊中的日期和時間信息；第五步，讀取溫濕度模塊的溫度和濕度信息；第六步，讀取GPS模塊的經(jīng)緯度信息和有效性標(biāo)志；第七步，讀取加速度模塊的加速度信息；第八步，讀取毒性氣體傳感器模塊的毒性氣體濃度信息；第九步，比較氣體濃度數(shù)值和報警設(shè)定值如果氣體濃度值大于預(yù)設(shè)的濃度報警 值，微處理器驅(qū)動報警模塊發(fā)出報警，報警后進入第十步；如果氣體濃度值小于或者等于預(yù) 設(shè)的濃度報警值則直接進入第十步；第十步，比較計時時間和預(yù)設(shè)時間延時，如果計時大于延時，計時清零，微處理器 控制無線通訊模塊發(fā)送各項檢測數(shù)據(jù)；第十一步，顯示儀器主界面，顯示各項檢測數(shù)據(jù)；然后，循環(huán)運行第四步到第十一步步驟；在循環(huán)運行第四步到第十一步步驟過程中如果按鍵模塊被觸發(fā)，則微處理器判斷所述觸發(fā)是需要進入校準(zhǔn)傳感器功能還是進入報警設(shè)定功能
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如果是進入校準(zhǔn)傳感器功能，則讀取零氣AD值、存儲零氣校準(zhǔn)值、輸入標(biāo)氣標(biāo)稱 值、讀取標(biāo)氣AD值、存儲標(biāo)氣校準(zhǔn)值；之后成后返回第四步到第十一步的循環(huán)；如果是進入設(shè)置報警值功能，則接受報警值并存儲報警值；之后返回第四步到第 十一步的循環(huán)；如果是進入消除報警功能則驅(qū)動報警模塊停止報警后返回第四步到第十一步的 循環(huán)。本發(fā)明的另一實施方式，包括中央監(jiān)測單元和便攜式無線檢測儀器，如圖1和圖2 所示。便攜式無線檢測儀器由電源模塊、液晶模塊、鍵盤模塊、溫濕度傳感器模塊、毒性氣體 傳感器模塊、加速度傳感器模塊、GPS模塊、報警模塊、無線通訊模塊、時鐘日期模塊、微處理 器模塊構(gòu)成。單個裝置使用4節(jié)5號電池供電，電池經(jīng)過電源模塊后輸出三種不同電壓分 別給不同模塊供電。微處理器MSP430F249負責(zé)各種環(huán)境參數(shù)的檢測與輸出控制，液晶模塊 以并行工作方式連接到微處理器的IO 口，鍵盤輸入模塊經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)連接到微處理器的IO 口，溫濕度模塊以I2C總線串行通訊方式連接到微處理器的IO 口，毒性氣體傳感器模塊輸 出端經(jīng)信號調(diào)理電路后連接到微處理器的AD轉(zhuǎn)換端口，GPS模塊以串行通訊方式連接到微 處理器的UART 口，報警模塊分聲音報警和震動報警，蜂鳴器、震動電機由微處理器的IO 口 的引腳驅(qū)動三極管控制，無線通訊模塊以串行通訊方式連接到微處理器另一個UART 口，時 鐘日期模塊的中斷和通訊信號線連接到微處理器IO 口，模擬信號采集模塊由采樣電阻、電 壓跟隨和濾波幾個部件組成，其輸出連接到微處理器的AD轉(zhuǎn)換口。微處理器接收來自鍵盤 輸入模塊、溫濕度傳感器、加速度傳感器、GPS模塊、無線通訊模塊、時鐘日期模塊和內(nèi)部時 鐘的中斷，在中斷服務(wù)程序中判定是由哪個模塊引發(fā)的中斷，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序。讀 取鍵盤狀態(tài)、溫濕度數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、時鐘和日期數(shù)據(jù)顯示到液晶模塊上并暫時 存儲，當(dāng)濃度數(shù)據(jù)超過設(shè)定值驅(qū)動報警模塊發(fā)出報警提示。如果是內(nèi)部時鐘中斷則進行延 時計數(shù)。當(dāng)默認設(shè)置的周期滿足時或者微處理器通過無線模塊接收到來自中央監(jiān)控單元的 數(shù)據(jù)請求時，微處理器將存儲的數(shù)據(jù)組合成通信字符串發(fā)送給無線通訊模塊，無線通訊模 塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去或者將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。中央監(jiān)測單元負責(zé)接收數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù) 時識別由不同檢測儀器發(fā)送的數(shù)據(jù)串并進行解析，根據(jù)解析后的不同參數(shù)，在平面圖上顯 示圖形標(biāo)志或者根據(jù)需要在列表框中以文本或者趨勢圖的形式顯示數(shù)據(jù)。中央監(jiān)控單元計 算機中設(shè)定一些邏輯判斷條件，當(dāng)數(shù)據(jù)的組合滿足邏輯條件時，向監(jiān)管者發(fā)出提示信息，監(jiān) 管者查看數(shù)據(jù)，認為確實存在危險情況時，通過中央監(jiān)控單元向儀器發(fā)送指令或者消息提 示不同的檢測儀器攜帶者，并可采取其他警告或救援措施。本發(fā)明的再一實施方式中，便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置由檢測儀器和中央監(jiān)測 單元兩部分組成，如圖1和圖2所示。實施實例可由一個中央監(jiān)測單元和若干個檢測儀器 組成。檢測儀器由作業(yè)人員攜帶使用，中央監(jiān)控單元置于控制室中由監(jiān)管者管理。儀器總體實施結(jié)構(gòu)如圖1所示，檢測儀器包括電源模塊、毒性氣體傳感器(實例 中采用H2S傳感器)與信號調(diào)理電路、溫濕度傳感器、加速度傳感器、無線通訊模塊、GPS模 塊、時鐘日期模塊、報警模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、微處理器及其外圍電路；其連接關(guān)系為 電池輸出連接到電源模塊輸入端，電源模塊轉(zhuǎn)換輸出12V、5V、3.3V三種電源。12V輸出連 接到毒性氣體傳感器和放大采樣模塊供電端口，5V輸出連接到報警模塊供電端口，3. 3V輸 出連接到微處理器、液晶顯示、鍵盤輸入、溫濕度傳感器、加速度傳感器、GPS模塊、時鐘日期模塊、無線通訊模塊供電端口 ；毒性氣體傳感器模塊的信號輸出連接到信號調(diào)理輸入端，信 號調(diào)理電路輸出端連接到微處理器的AD轉(zhuǎn)換接口 ；加速度傳感器連接到微處理器的SPI總 線；無線通訊模塊、GPS模塊輸出端分別連接到微處理器的不同UART接口 ；溫濕度傳感器通 過普通IO 口模擬I2C總線與微處理器連接；顯示模塊、報警模塊、鍵盤、日期時鐘模塊連接 到微處理器的普通IO接口 ；無線模塊上有SMA型天線接口，直接連接外置式天線。中央監(jiān)控單元結(jié)構(gòu)如圖2，電池輸出連接到無線模塊供電端口，無線模塊上SMA型 天線接口直接連接到外置式天線，無線模塊串口連接到監(jiān)控計算機的串行接口。一臺儀器實例各部件的功能說明如下檢測儀器使用4節(jié)5號電池供電，經(jīng)過電源模塊分別產(chǎn)生3. 3V、5V、12V電壓給儀 器的各個功能模塊供電。圖3a是3. 3V降壓電路，采用芯片LT1707完成電池到3. 3V降壓，電路由輸入濾波、 輸出濾波、分壓反饋單元組成。電池輸出端連接LT1707的VIN、RUN、SYNC三個引腳，同時與 輸入濾波電容C7連接；芯片ITH引腳經(jīng)電容C8接地，Sff端連接電感Ll和濾波電容C9輸 出3. 3V電壓，VFB端連接Rl2和Rl3的公共端。圖3b是5V穩(wěn)壓電路，采用芯片LT1613完成電池到5V穩(wěn)壓，電路由輸入濾波、輸 出濾波和分壓反饋單元組成。輸入濾波包括電感L3和電容C15，電池輸出端連接L3與C15 的公共端，同時連接LT1613的輸入端；芯片SW端連接C16、C17、D5、L4構(gòu)成輸出濾波電路； R19與R20串聯(lián)構(gòu)成分壓電路，公共端連接芯片F(xiàn)B端口，R19的另一端連接5V電壓輸出。圖3c是12V升壓電路，采用芯片LT1613完成電池到12V升壓，電路由輸入濾波、 輸出濾波和分壓單元組成。電池輸出端連接輸入濾波電容C11、電感L2和芯片輸入端VIN; 芯片SW端連接穩(wěn)壓管D4、C13構(gòu)成輸出保護電路；R15、R16和R17構(gòu)成分壓反饋電路，分別 連接FB端、地和12V電壓輸出端。本實例采用的毒性氣體傳感器是ALPHA SENSOR的硫化氫傳感器，測量范圍0 IOOppm,峰值500ppm，壽命兩年，分辨率ΙΟΟηΑ/ppm，精度0. 03ppm,輸出4_20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號。微處理器是儀器檢測儀器的核心器件，負責(zé)與各模塊的通訊、數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)化和 用戶輸入輸出接口。本實例采用德州儀器公司的16位微處理器MSP430F249。主要參數(shù)有 工作電壓1. 8 3. 6V ；62. 5ns指令周期；片上集成12位高精度AD轉(zhuǎn)換器；4路串行接口， 其中兩路可工作于SPI或I2C模式；片上集成60KB Flash, 2KB RAM ；提供三種工作模式，切 換時間短于lus。圖4是微處理器與功能模塊電路連接圖。下載調(diào)試接口與微處理器的RESET、TCK、TMS、TDI、TDO端口連接，實現(xiàn)程序下載和 在線調(diào)試；有毒氣體傳感器接口電路串聯(lián)采樣電阻R48，輸出0.4 2. OV電壓，經(jīng)過運放跟隨 后與R51連接，R51另一端連接微處理器的P60端口 ；，同時連接二極管D15和電容C46 ；鍵盤模塊電路由四個按鍵和8個電阻組成，4個按鍵并聯(lián)后公共端接地，另一端分 別串接兩個電阻到3. 3V高電平，電阻的公共端連接到微處理器的P14、P15、P16和P17端 Π ；顯示模塊采用12864點陣液晶，14到25腳連接9個電容，6 13腳分別連接微處 理器的Ρ20 Ρ27端口，形成數(shù)據(jù)流，1 5腳分別連接微處理器的Ρ66、Ρ67、Ρ57、Ρ56、Ρ55，
1026和27分別連接微處理器的P54和P50，這些連接控制液晶的顯示；日期時間模塊采用芯片PCF8583，芯片1腳和2腳連接晶振Y3，VDD連接C37、D11、 D12，7腳連接微處理器的中斷端口 P13，5腳和6腳經(jīng)上拉電阻R32和R33后連接到微處理 器P32和P31端口 ；無線模塊TXD、RXD經(jīng)過P35、P34與微處理器的串口連接，MODE 口與微處理器P45 端口連接，RESET經(jīng)過復(fù)位開關(guān)與地連接；溫濕度測量采用瑞士 SENSIRI0N公司SHTll溫濕度模塊，主要參數(shù)有工作電壓 2. 4 5. 5V，測濕精度士 3.0%，測溫精度士 0.4%，采用I2C數(shù)字輸出接口。DATA 口與微處 理器P30連接，同時接上拉電阻R28，SCK 口與微處理器P33端口連接；GPS模塊RXA和TXA分別連接微處理器P36和P37端口，形成串行通信；報警模塊由二極管D9、三極管、限流電阻R30和蜂鳴器構(gòu)成，D9與R30串聯(lián)后連接 微處理器P44端口，Ql基極與D9陽極連接，集電極接地，發(fā)射極接蜂鳴器的一端，蜂鳴器另 一端接5V電源；加速度模塊11腳、10腳、12腳分別連接微處理器P51、P52、P53端口，通過SPI總 線完成數(shù)據(jù)傳輸，2腳、3腳和13腳分別連接微處理器P63、P12、P64端口。如圖5所示，為本發(fā)明中的檢測儀器軟件工作流程儀器上電后依次初始化微處理 器系統(tǒng)時鐘、微處理器IO端口、報警模塊、鍵盤模塊、液晶顯示模塊、微處理器AD轉(zhuǎn)換器、 微處理器的UART端口、時鐘日期模塊、溫濕度模塊、打開微處理器中斷；然后讀取GPS的標(biāo) 準(zhǔn)時間對時鐘日期模塊校準(zhǔn)；第三步顯示歡迎信息、經(jīng)緯度信息、溫濕度信息、加速度信息； 第四步微處理器讀取時鐘日期模塊中的日期和時間信息；第五步讀取溫濕度模塊的溫度和 濕度信息；第六步讀取GPS模塊的經(jīng)緯度信息和有效性標(biāo)志；第七步讀取加速度模塊的加 速度信息；第八步讀取毒性氣體傳感器模塊的毒性氣體濃度信息；第九步，比較氣體濃度 數(shù)值和報警設(shè)定值，如果氣體濃度值大于預(yù)設(shè)的濃度報警值，微處理器驅(qū)動報警模塊發(fā)出 報警，否則直接進入第十步，比較計時時間和預(yù)設(shè)時間延時，如果計時大于延時，計時清零， 微處理器控制無線通訊模塊發(fā)送各項數(shù)據(jù)；第十一步顯示儀器主界面，顯示各項檢測數(shù)據(jù)； 然后，程序循環(huán)運行第四步到第十一步過程。如果在運行過程中有按鍵按下，程序判斷是需 要進入校準(zhǔn)傳感器功能還是進入報警設(shè)定功能。如果是進入校準(zhǔn)傳感器功能，則程序依次 執(zhí)行“讀取零氣AD值”、“存儲零氣校準(zhǔn)值”、“輸入標(biāo)氣標(biāo)稱值”、“讀取標(biāo)氣AD值”、“存儲標(biāo) 氣校準(zhǔn)值”完成后返回循環(huán)；如果是進入設(shè)置報警值功能，則程序依次執(zhí)行“接受報警值”、 “存儲報警值”完成后返回循環(huán)；如果是進入消除報警功能則驅(qū)動報警模塊停止報警后返回 循環(huán)。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任 何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等 效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實例所作 的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。所有上述為這一知識產(chǎn)權(quán)的首要實施裝置，并沒有設(shè)定限制以其它形式實施這種 新型裝置及其檢測方法和/或操作方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員將利用這一重要信息，對上述內(nèi)容 修改，以實現(xiàn)類似的執(zhí)行情況。但是，所有基于本發(fā)明的修改或改造新方法，屬于保留的權(quán)利。
權(quán)利要求
一種便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，包括中央監(jiān)測單元和多個檢測儀器，其特征在于，所述中央監(jiān)測單元，用于監(jiān)控管理；所述檢測儀器，為便攜式設(shè)備，其進一步包括電源模塊、毒性氣體傳感器、信號調(diào)理電路、溫濕度傳感器、加速度傳感器、無線通訊模塊、報警模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、微處理器及其外圍電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，其特征在于，進一步包括時鐘 日期模塊和GPS模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，其特征在于， 所述電源模塊進一步設(shè)有輸入端和輸出端；所述輸入端與電源相連；所述輸出端能夠轉(zhuǎn)換輸出高壓、中壓、低壓三種電源；所述高壓電源輸出連接到毒性氣體傳感器和信號調(diào)理電路的供電端口；所述中壓電源輸出連接到報警模塊的供電端口；所述低壓電源輸出連接到微處理器、顯示模塊、鍵盤模塊、溫濕度傳感器、加速度傳感 器、時鐘日期模塊、GPS模塊和無線通訊模塊的供電端口。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述毒性氣體傳感器模塊的信號輸出連接到所述信號調(diào)理電路輸入端； 所述信號調(diào)理電路輸出端連接到所述微處理器的AD轉(zhuǎn)換接口 ； 所述加速度傳感器連接到所述微處理器的SPI總線；所述無線通訊模塊、GPS模塊輸出端分別連接到所述微處理器的不同UART接口 ； 所述溫濕度傳感器通過IO 口模擬I2C總線與所述微處理器連接； 所述顯示模塊、報警模塊、鍵盤模塊分別連接到微處理器的IO接口 ； 所述無線通訊模塊上進一步設(shè)有SMA型天線接口，直接與外置式天線相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述微處理器為 低功耗芯片MSP430F249。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述微處理器的 工作模式為中斷模式，初始化完成后，微處理器就進入低功耗模式，定時器中斷喚醒微處理 器，微處理器開始工作，判斷延時是否符合設(shè)定值，如果符合就采集各個傳感器的數(shù)據(jù)并處 理和發(fā)送，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)出報警。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述鍵盤模塊的 工作模式為中斷模式，當(dāng)觸發(fā)鍵盤時，微處理器被喚醒，進行相應(yīng)功能的操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述電源模塊、 毒性氣體傳感器、信號調(diào)理電路、溫濕度傳感器、加速度傳感器、無線通訊模塊、時鐘日期模 塊、GPS模塊、報警模塊和顯示模塊都能夠通過微處理器控制其工作狀態(tài)，在非觸發(fā)時間微 處理器處于休眠狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述無線模塊采 用動態(tài)傳輸調(diào)節(jié)工作模式，每隔5 200秒發(fā)送一組數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測濃度值超過預(yù)設(shè)報警值的 一半時，儀器發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率隨著濃度升高線性增加，直至達到每秒一組數(shù)據(jù)的全速工作頻率。
10. 一種如權(quán)利要求2 9中任一項所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置的操作方法，其 特征在于，包括以下步驟第一步，初始化微處理器的系統(tǒng)時鐘、微處理器IO端口、報警模塊、鍵盤模塊、顯示模 塊、微處理器的AD轉(zhuǎn)換器、微處理器的UART端口、時鐘日期模塊、溫濕度傳感器，并打開微 處理器中斷；第二步，讀取GPS模塊的標(biāo)準(zhǔn)時間對時鐘日期模塊校準(zhǔn)； 第三步，顯示歡迎信息、經(jīng)緯度信息、溫濕度信息、加速度信息； 第四步，微處理器讀取時鐘日期模塊中的日期和時間信息； 第五步，讀取溫濕度模塊的溫度和濕度信息； 第六步，讀取GPS模塊的經(jīng)緯度信息和有效性標(biāo)志； 第七步，讀取加速度模塊的加速度信息； 第八步，讀取毒性氣體傳感器模塊的毒性氣體濃度信息；第九步，比較氣體濃度數(shù)值和報警設(shè)定值如果氣體濃度值大于預(yù)設(shè)的濃度報警值，微 處理器驅(qū)動報警模塊發(fā)出報警，報警后進入第十步；如果氣體濃度值小于或者等于預(yù)設(shè)的 濃度報警值則直接進入第十步；第十步，比較計時時間和預(yù)設(shè)時間延時，如果計時大于延時，計時清零，微處理器控制 無線通訊模塊發(fā)送各項檢測數(shù)據(jù)；第十一步，顯示儀器主界面，顯示各項檢測數(shù)據(jù)； 然后，循環(huán)運行第四步到第十一步步驟；在循環(huán)運行第四步到第十一步步驟過程中如果按鍵模塊被觸發(fā)，則 微處理器判斷所述觸發(fā)是需要進入校準(zhǔn)傳感器功能還是進入報警設(shè)定功能 如果是進入校準(zhǔn)傳感器功能，則讀取零氣AD值、存儲零氣校準(zhǔn)值、輸入標(biāo)氣標(biāo)稱值、讀 取標(biāo)氣AD值、存儲標(biāo)氣校準(zhǔn)值；之后成后返回第四步到第十一步的循環(huán)；如果是進入設(shè)置報警值功能，則接受報警值并存儲報警值；之后返回第四步到第十一 步的循環(huán)；如果是進入消除報警功能則驅(qū)動報警模塊停止報警后返回第四步到第十一步的循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，包括中央監(jiān)測單元和多個檢測儀器，所述中央監(jiān)測單元，用于監(jiān)控管理；所述檢測儀器，為便攜式設(shè)備，其進一步包括電源模塊、毒性氣體傳感器、信號調(diào)理電路、溫濕度傳感器、加速度傳感器、無線通訊模塊、報警模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、微處理器及其外圍電路。所述便攜式毒性氣體無線監(jiān)測裝置，優(yōu)選進一步包括時鐘日期模塊和GPS模塊。本發(fā)明便攜式毒性氣體監(jiān)測裝置能提供對作業(yè)人員活動的全面監(jiān)測，不僅僅能為作業(yè)人員自身提供檢測與報警功能，還可讓控制室的監(jiān)管人員隨時了解作業(yè)人員的狀態(tài)。監(jiān)管者可以合理做出判斷，大大提高了掌握現(xiàn)場情況的能力和做出響應(yīng)的正確性和時效性。
文檔編號G08C17/02GK101949811SQ20101027172
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者嚴龍, 姜素霞, 朱亮, 鄒兵, 高少華 申請人:中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院