多传感器识别的有毒气体无线检测系统论文和设计-吴琼

全文摘要

一种多传感器识别的有毒气体无线检测系统。目前在实际工业现场以及一些恶劣的毒气环境下，检测人员无法直接进入现场完成测量任务，这就使无线智能巡检系统成为有毒气体监测的重要途径。一种多传感器识别的有毒气体无线检测系统，其组成包括：巡检设备（1）、信息中继站（2）和控制中心（3），巡检设备中具有一氧化碳传感器（4）、二氧化硫传感器（5）、二氧化氮传感器（6）和氯气传感器（7）、传感器变送电路（8）、主控制器A（9）、电源模块A（10）、ZigBee无线传输模块A（11）、WI‑FI摄像头（12）和电机驱动模块（13），信息中继站中具有主控制器B（14）、电源模块B（15）。本实用新型应用于有毒气体无线检测系统。

主设计要求

1.一种多传感器识别的有毒气体无线检测系统，其组成包括：巡检设备、信息中继站和控制中心，其特征是：所述的巡检设备中具有一氧化碳传感器、二氧化硫传感器、二氧化氮传感器和氯气传感器、传感器变送电路、主控制器A、电源模块A、ZigBee无线传输模块A、WI-FI摄像头和电机驱动模块，所述的信息中继站中具有主控制器B、电源模块B、ZigBee无线传输模块B、WI-FI中继器和串口通信模块，所述的控制中心中具有上位机，所述的巡检设备通过无线信号与所述的信息中继站连接，所述信息中继站信息中继站与所述的控制中心之间的数据传输是通过串行方式实现的，所述的一氧化碳传感器、所述的二氧化硫传感器、所述的二氧化氮传感器和所述的氯气传感器与传感器阵列连接，所述的传感器阵列与所述的传感器变送电路连接，所述的传感器变送电路与所述的主控制器A连接，所述的主控制器A分别与所述的ZigBee无线传输模块A、所述的电源模块A和所述的电机驱动模块连接，所述的电源模块A与所述的WI-FI摄像头连接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的多传感器识别的有毒气体无线检测系统，其特征是：所述的主控制器B分别与所述的ZigBee无线传输模块B、所述的电源模块B和所述的串口通信模块连接，所述的电源模块B与所述的WI-FI中继器连接。

3.根据权利要求1所述的多传感器识别的有毒气体无线检测系统，其特征是：所述的一氧化碳传感器、所述的二氧化硫传感器、所述的二氧化氮传感器和所述的氯气传感器都是电阻型器件，且阻值的变化都在10K~300KΩ范围内。

4.根据权利要求2或3所述的多传感器识别的有毒气体无线检测系统，其特征是：所述的ZigBee无线传输模块B无线连接控制中心，将数据发送至所述的控制中心，同时根据所述的控制中心的指令控制所述的巡检设备。

设计说明书

技术领域：

本实用新型涉及一种多传感器识别的有毒气体无线检测系统。

背景技术：

随着我国工业生产领域的快速发展，有毒有害气体在化工生产中的应用越来越普遍，同时不可避免地伴随着有毒有害气体泄露的问题，但是在实际工业现场以及一些恶劣的毒气环境下，检测人员无法直接进入现场完成测量任务，这就使无线智能巡检系统成为有毒气体监测的重要途径。

近年来，我国已发生多起有毒气体泄漏重大安全生产事故。这类事故通常具有危险性大、危害性广、突发性强、处置难度高等特点，如果能够对这些有毒气体进行无线智能巡检，对于企业的安全生产运行以及人员生命安全将具有十分重大的意义，因此，对于可以监测多种有毒气体的无线巡检系统的研究变得具有现实意义。

早期的有毒气体安全监测系统监测信息基本通过有线网络传输，致使网络铺设复杂、监测区域有限、系统移植困难和便携性较差以及人力财力投入较；而且现在的一些无线监测系统大都是固定式安置，不能全局准确地反应现场每个地方的气体泄漏情况，这种方式需要很多终端设备才可实现，导致监测成本急剧提高。而且以往有毒气体监测系统的数据传输大多是利用有线网络实现的，这种数据传输方式存在着很多问题，网络铺设困难、监测范围较少、移植性差、移动困难和投入的人力物力较多等，现在流行的部分无线监测措施也存在别的问题，比如功耗较大、通信协议复杂等。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种多传感器识别的有毒气体无线检测系统，综合采用了有毒气体检测技术、ZigBee和Wi-Fi通信技术和数据分析技术，实现了对工业现场多气体信息的实时监测，在满足了工业生产需要的同时改进了采用以往监测方式带来的诸多不足。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种多传感器识别的有毒气体无线检测系统，其组成包括：巡检设备、信息中继站和控制中心，所述的巡检设备中具有一氧化碳传感器、二氧化硫传感器、二氧化氮传感器和氯气传感器、传感器变送电路、主控制器A、电源模块A、ZigBee无线传输模块A、WI-FI摄像头和电机驱动模块，所述的信息中继站中具有主控制器B、电源模块B、ZigBee无线传输模块B、WI-FI中继器和串口通信模块，所述的控制中心中具有上位机，所述的巡检设备通过无线信号与所述的信息中继站连接，所述信息中继站信息中继站与所述的控制中心之间的数据传输是通过串行方式实现的，所述的一氧化碳传感器、所述的二氧化硫传感器、所述的二氧化氮传感器和所述的氯气传感器与传感器阵列连接，所述的传感器阵列与所述的传感器变送电路连接，所述的传感器变送电路与所述的主控制器A连接，所述的主控制器A分别与所述的ZigBee无线传输模块A、所述的电源模块A和所述的电机驱动模块连接，所述的电源模块A与所述的WI-FI摄像头连接。

所述的多传感器识别的有毒气体无线检测系统，所述的主控制器B分别与所述的ZigBee无线传输模块B、所述的电源模块B和所述的串口通信模块连接，所述的电源模块B与所述的WI-FI中继器连接。

所述的多传感器识别的有毒气体无线检测系统，所述的一氧化碳传感器、所述的二氧化硫传感器、所述的二氧化氮传感器和所述的氯气传感器都是电阻型器件，且阻值的变化都在10K~300KΩ范围内。

所述的多传感器识别的有毒气体无线检测系统，其所述的ZigBee无线传输模块B将数据发送至所述的控制中心，同时根据所述的控制中心的指令控制所述的巡检设备。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型检测设备的主要功能是通过多个传感器模块采集工业现场Cl2、CO、NO2、SO2四种有毒气体的信息和环境温湿度数据，并通过微处理器Stm32f107vct6将这些信息进行整合，利用ZigBee传输模块把数据发送至控制中心，同时根据控制中心发来的指令控制检测设备移动，以实现道路避障和毒气源搜寻，工业现场的实时画面通过一个可多方向旋转的Wi-Fi摄像头将视频信息发送至控制中心；信息中继站主要分为ZigBee数据中继站和Wi-Fi视频中继站，数据中继站的主要功能是将检测设备采集的信息过渡给控制中心，并且将控制中心下发的指令过渡给检测系统，视频中继站的主要功能是将摄像头采集的视频中继给控制中心，并且将控制中心发送的旋转摄像头的信息中继给检测设备；上位机控制中心可以直观清晰地看到工业现场有毒气体的信息和现场的实时画面，并且可以根据实际情况控制检测设备移动和摄像头旋转。

本实用新型工作人员可在远离工业现场的控制中心对巡检设备进行遥控操作，巡检设备即可监测现场各个地方的有毒气体泄漏情况，并将信息传输到控制中心，工作人员在控制中心可以直观地看到现场各个地方的气体浓度情况。

本实用新型的硬件上以Stm32f107vct6微处理器为开发平台，提高了数据处理的速度和信息采集的精度，设计了有毒气体和环境温湿度传感器的变送电路，ZigBee、Wi-Fi以及串口的通信电路，电源以及电机驱动电路，系统硬件设计采用模块化，提高了其可扩展性。软件上利用MDK4.0开发了巡检设备和信息中继站的主控程序，实现了巡检系统的正常监测和数据稳定可靠传输；同时利用Borland公司的C++ Builder开发工具为控制中心编写了界面友好、操作简便的上位机软件，实现了传感器数据的实时显示和分析、控制巡检设备避障和搜寻毒气源等功能。

附图说明：

附图1是本实用新型的结构示意图。

附图2是有毒气体识别过程示意图。

附图3是有毒气体变送电路电路示意图。

附图4是ZigBee通信模块的电路示意图。

附图5是WI-FI摄像头电源电路示意图。

附图6是串口数据传输电路示意图。

附图7电机控制电路示意图。

图中：1、巡检设备，2、信息中继站，3、控制中心，4、一氧化碳传感器，5、二氧化硫传感器，6、二氧化氮传感器，7、氯气传感器，8、传感器变送电路，9、主控制器A，10、电源模块A，11、ZigBee无线传输模块A，12、WI-FI摄像头、13、电机驱动模块，14、主控制器B，15、电源模块B，16、ZigBee无线传输模块B，17、WI-FI中继器，18、串口通信模块，19、上位机，20、传感器阵列。

具体实施方式：

实施例1：

一种多传感器识别的有毒气体无线检测系统，其组成包括：巡检设备1、信息中继站2和控制中心3，所述的巡检设备中具有一氧化碳传感器4、二氧化硫传感器5、二氧化氮传感器6和氯气传感器7、传感器变送电路8、主控制器A9、电源模块A10、ZigBee无线传输模块A11、WI-FI摄像头12和电机驱动模块13，所述的信息中继站中具有主控制器B14、电源模块B15、ZigBee无线传输模块B16、WI-FI中继器17和串口通信模块18，所述的控制中心中具有上位机19，所述的巡检设备通过无线信号与所述的信息中继站连接，所述信息中继站信息中继站与所述的控制中心之间的数据传输是通过串行方式实现的。

所述的一氧化碳传感器、所述的二氧化硫传感器、所述的二氧化氮传感器和所述的氯气传感器与传感器阵列20连接，所述的传感器阵列与所述的传感器变送电路连接，所述的传感器变送电路与所述的主控制器A连接，所述的主控制器A分别与所述的ZigBee无线传输模块A、所述的电源模块A和所述的电机驱动模块连接，所述的电源模块A与所述的WI-FI摄像头连接。

实施例2：

根据实施例1所述的多传感器识别的有毒气体无线检测系统，所述的主控制器B分别与所述的ZigBee无线传输模块B、所述的电源模块B和所述的串口通信模块连接，所述的电源模块B与所述的WI-FI中继器连接。

实施例3：

根据实施例1或2所述的多传感器识别的有毒气体无线检测系统，所述的一氧化碳传感器、所述的二氧化硫传感器、所述的二氧化氮传感器和所述的氯气传感器都是电阻型器件，且阻值的变化都在10K~300KΩ范围内。

实施例4：

根据实施例1或2或3所述的多传感器识别的有毒气体无线检测系统，信息中继站主要分为ZigBee数据中继站和Wi-Fi视频中继站，数据中继站的主要功能是将巡检设备采集的信息过渡给控制中心，并且将控制中心下发的指令过渡给巡检系统，视频中继站的主要功能是将摄像头采集的视频中继给控制中心，并且将控制中心发送的旋转摄像头的信息中继给巡检设备；

气体识别方法：

检测设备上的四路气体传感器接触到工业现场的有毒气体时，首先进行气体定性识别，确定当前气体是氧化性气体还是还原性气体，假如识别为氧化性气体，对前端两个氧化性气体传感器采集回来的数据进行敏感性分析，以确定待测气体是Cl2还是NO2气体，假如敏感性分析发现Cl2传感器对待测气体更加敏感，即进入预先设定的Cl2定量识别模型，得出气体的准确浓度。

系统硬件电路设计：

（1）传感器模块设计：

在有毒气体传感器电路设计部分，由于该系统的四个有毒气体传感器均为电阻型器件，且阻值变化范围是10K~300KΩ，因此四个传感器选用了同样的变送电路，如图3所示。图中Rx为模拟传感器的电阻，根据运算放大器基本原理，可以计算出输出电压Uo与传感器电阻Rx的关系式如下：

本新型选择的微控制器电压采集范围为0~3.3V，综合气体传感器的电阻变化范围，为使Uo能更好地反应传感器的阻值变化，最终决定选取R1=330KΩ，R2= R3=10KΩ。

在温湿度传感器电路设计部分，由于温湿度传感器是数字量输出，并且它与单片机之间是通过单总线方式进行数据通信的，因此，本文选用AM2301传感器实现温湿度的信息采集功能。

（2）通信模块电路设计：

本新型通信方式主要有无线通信与有线通信两种，无线通信主要包括ZigBee和Wi-Fi两种方式，串口通信作为主要的有线传输方式使用。

数据传输电路设计：

本文选用顺舟科技SZ05-ADV系列的ZigBee模块作为重要数据的传输工具。该模块有RS232、RS485和TTL三种数据接口，本电路采用TTL数据接口，使得SZ05的发送端与接收端可以直接与单片机直接相连，如图4所示；电路图中D11、D12和D13为指示灯，当该模块正常工作时D11指示灯闪烁，当处于某个组网状态下时D12指示灯常亮，当模块处于故障状态时D13指示灯闪烁。

视频传输电路设计。本文选用凯聪Sip1018作为Wi-Fi视频传输模块，并选取三节锂电池串联作为凯聪Wi-Fi摄像头供电初始电压，由于串联后电压过大，本文设计了一个DC转DC的直流电压转换电路，如图5所示。

串口数据传输电路设计。有线数据通信方式主要有串行通信和并行通信两种方式，并行通信的优点是速度快，但需要占用大量的微控制器引脚。串行通信方式虽然传输速度慢，但可以大量地减少芯片引脚的使用。本文数据信息中继站与控制中心之间的数据传输是通过串行方式实现的。一方面这种传输方式可以支持最高20kbps的传输速度，并且短距离通信可靠性极高，可以满足系统设计要求；另一方面，这种通信模式操作简单，缩短了整个系统的开发时间。串口数据传输电路如图6所示。

（3）电机驱动电路设计：

本新型的电机驱动电路核心芯片选取L298，其控制输入端口为ENA、ENB、IN1、IN2、IN3、IN4，ENA和ENB负责使能不同的电机，IN1和IN2共同控制转向轮电机的正反转，IN3和IN4共同控制动力轮电机的正反转。电机驱动电路的输出端口OUT1与OUT2连接转向轮电机的正负极，端口OUT3与OUT4连接动力轮电机的正负极。L298芯片的控制表如3-1所示，其中X表示状态不定。

设计图

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