一種基于藍牙技術的局域工業環境氣體監測節點的制作方法

本實用新型涉及一種適用于工業局域環境氣體監測的節點。該節點可以對工業生產企業或其他工業應用場合中局部區域內的氣體進行數據監測與采集，并可以通過藍牙通信的方式被移動智能設備等外部設備訪問。

背景技術：

近年來隨著我國工業現代化的發展，工業環境監測及工業危害防治日益受到社會重視。在一些工業生產過程中，會產生并排放一些對人體有害的氣體。用于工業生產的化工氣體泄漏也會帶來不良的后果。所以有必要對工業生產環境中的工業氣體進行監測。尤其是在一些工業事故處理或應急處置當中，也需要快速地對環境中的工業氣體的含量進行快速實時地監測。在對工業環境氣體的監測中，局域監測十分重要。局域氣體的監測值不僅可以用于分布式環境監測及數據采集，而且還可用于對特定位置的有側重的獨立觀測。另外在對局域工業氣體的環境監測中，往往還希望系統滿足結構簡單、布設方便、安置迅速、成本低廉、功耗低、無需外部供電及對移動智能設備支持度好等條件。

在對工業場合的氣體監測中，多采用節點-上位機方式。節點負責監測數據的采集及發送，上位機負責數據的處理等。這一結構的好處是將復雜的后處理工作置于上位機中，這不僅可以簡化節點的結構，也可以節省節點的成本、提升節點工作的可靠性。節點與上位機進行數據交互的方式可分為有線及無線兩種方式。在有線方式中，節點利用CAN總線、RS485總線、以太網或FDDI光纖總線等方式與上位機進行通信。有線方式需要鋪設線路，架設成本高、建設周期長、難以實現快速地布設與維護。近年來無線數據傳輸方式得到了蓬勃的發展。節點通過GPRS、3G、4G或者ZigBee等方式與上位機之間實現通信。但是如果采用GPRS、3G或者4G通信方式時，必須要有移動網絡的支持。但是在一些工業場合中由于廠區位置或車間電磁干擾等因素難以接收到移動網絡的信號或信號較差，這使得該類型的傳輸方式應用受限。另外基于移動網絡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為基礎構建節點的數據傳輸通道，其難以與近年來蓬勃發展的移動智能設備兼容。如果要令節點發來的ZigBee數據被移動智能設備接收，則需要額外設立網關或服務器進行對應處理。這不僅增加了成本，而且還提高了系統復雜度。

近年來藍牙技術得到了飛速的發展。隨著藍牙4.0/BLE規范的提出與應用，符合藍牙4.0/BLE規范設備的設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年之久)，其成本也得到了一定程度的下降。此外符合藍牙4.0/BLE標準的設備還具有延遲低、有效連接距離長、支持AES-128加密與對移動智能設備支持好等優點，有望在無線監測領域得到較好的推廣應用。近年來隨著半導體技術與傳感器技術的發展，低功耗嵌入式系統與具有較高集成度的氣體傳感器有望使工業環境氣體監測的成本與集成度得到較大程度的優化。基于藍牙4.0/BLE技術、低功耗嵌入式技術與新型氣體傳感器技術，可實現高集成度、布設方便、能耗低且對移動設備有較好支持的工業氣體環境監測節點。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是針對在工業場合中對局域環境區間上的工業氣體含量進行監測的需求，通過監測節點采集工業上使用或排放的氧氣、一氧化碳、環氧乙烷、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、智能化的工業環境氣體監測提供工程化的支持。節點需能獨立自主工作，并能夠支持移動智能設備訪問。此外該局域工業環境氣體監測節點還需滿足結構簡單、布設方便迅速、低功耗及無需外部供電等要求。

為了解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是提供一種基于藍牙技術的局域工業環境氣體監測節點，其特征在于：包括

用于采集測量環境中氣體的氣體傳感部分；

用于采集測量環境中溫濕度的環境溫濕度參數傳感部分；

用于采集環境氣壓的環境氣壓傳感部分；

用于讀取各傳感部分的采集數據，并進行存儲和分析處理的核心處理部分；

用于實現核心處理部分與外部設備的數據傳輸的藍牙通信部分；

用于給系統各部分提供不需要外部電源輸入的穩定供電的系統供電部分。

優選地，還包括用于容納系統各部分、防止其受潮的防水箱。

優選地，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。

優選地，所述環境溫濕度參數傳感部分為溫濕度一體式傳感器。

優選地，所述核心處理部分為依照設定的間隔讀取各傳感器部分的數據，并將數據進行存儲和分析處理后，通過藍牙通信部分發出給外部設備的單片機。

優選地，所述系統供電部分為鉛酸電池。

優選地，所述鉛酸電池連接高低壓轉換模塊，高低壓轉換模塊通過去耦電容與系統各部分連接供電。

優選地，所述防水箱表面貼敷有可供移動智能設備掃描的、能提供其接入節點所需的藍牙信息的二維碼。

本實用新型結合藍牙4.0/BLE技術、低功耗嵌入式技術與新型氣體傳感器技術，形成可以對工業區域局部環境下常見工業用氣體及工業排放氣體進行監測，支持移動智能設備訪問、低成本、低功耗、易安裝維護并可獨立工作的數據監測節點。

本實用新型提供了一種可用于工業局域氣體監測的節點設計。該節點可以不間斷地獲取周圍環境中常見工業氣體及工業排放物的含量，并可采集輔助的溫濕度及氣壓數據。節點還可方便地利用移動智能設備上的藍牙進行訪問。其可為工業過程監測、工業危害事故處理、環境治理等領域的相關需求提供具有結構簡單、布設方便、安置迅速、成本低廉、功耗低、無需外部供電及對移動智能設備支持度好等優點的工程支持。

附圖說明

圖1：基于藍牙技術的局域工業環境氣體監測節點原理示意圖；

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：系統供電部分結構。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本實用新型。應理解，這些實施例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍。此外應理解，在閱讀了本實用新型講授的內容之后，本領域技術人員可以對本實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利要求書所限定的范圍。

圖1為本實施例提供的基于藍牙技術的局域工業環境氣體監測節點原理示意圖，所述的基于藍牙技術的局域工業環境氣體監測節點由核心處理部分、藍牙通信部分、氣體傳感部分、環境溫濕度參數傳感部分、環境氣壓傳感部分、系統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。核心處理部分主要負責節點的管理，其由低功耗單片機及其外圍電路組成。低功耗單片機在工作中依照固定的時間間隔讀取傳感器數據，并將數據存儲在單片機的內部存儲空間中。當有移動智能設備接入節點、通過藍牙模塊向低功耗單片機發送讀取請求后，低功耗單片機將采集到的數據通過藍牙模塊發出，并在傳輸完成后將存儲空間中的數據清零。單片機還負責監測系統供電，如系統供電過低，則發出告警請求。低功耗單片機推薦選用在有一定電磁干擾環境下具有較高工作可靠性的8位單片機。其還應具有較好的AD轉換性能和較為完備的接口，以便連接傳感器及外部設備。

藍牙通信部分選用支持藍牙4.0/BLE規范的藍牙通信模塊。藍牙通信部分承擔節點與移動設備之間的通信，藍牙通信模塊應選擇完整支持藍牙4.0/BLE規范的模塊。為了簡化系統的結構，推薦使用具有UART、I2C接口的模塊。通常希望移動智能設備與節點之間有一定距離。所以模塊的正常傳輸距離宜大于10m。

氣體傳感部分由可產生易于被單片機采集數據輸出的氧氣傳感器模塊、一氧化碳傳感器模塊、環氧乙烷傳感器模塊、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。為了簡化維護工作，推薦使用穩定工作壽命大于3個月的氣體傳感器模塊。模塊還應具備校準功能，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。另外在實現中推薦使用有穩定模擬電壓輸出的傳感器模塊，以便方便被單片機采集，并易于實現傳感器根據實際應用場合的調整。

環境溫濕度參數傳感部分用于采集測量環境中的溫濕度，以便系統維護與管理。環境溫濕度參數傳感部分應盡可能選擇溫濕度一體式傳感器，傳感器最好具有UART或I2C等數字輸出，最好為表帖封裝形式，以便實現高集成度的節點設計。

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

系統供電部分用于給系統提供不需要外部電源輸入的穩定供電。由于鉛酸電池具有較高的穩定度與可靠性，所以系統選用鉛酸電池作為系統供電。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的方式為系統各部分提供穩定低噪聲的供電。在系統各模塊的電壓輸入端，應布置去耦電容以進一步提高供電質量。當核心處理部分的單片機發現鉛酸電池輸出電壓較低時，單片機驅動一蜂鳴器進行報警。

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備掃描的二維碼以便提供其接入節點所需的藍牙信息。

系統的主要功能組合如下：

[1]系統上電后，核心處理部分中的單片機對分壓后的鉛酸電池輸出電壓進行采樣。如果輸出電壓正常，則進入數據采集過程；否則通過蜂鳴器發出報警信號。

[2]在單片機的內部存儲空間中劃出一數據存儲區域，并初始化一個數據指針指向該存儲空間的開始處。單片機還設置一個采樣間隔，并依照該采樣間隔讀取傳感器數據。

[3]開始進行數據獲取，并將獲取后得到的數據依次放入存儲空間中。并將數據指針執行加一操作。如果數據指針到達存儲空間的結尾處，則將其重定向到數據空間的開始處，這樣下一次采集到的數據將覆蓋較舊的數據。

[4]每一次數據獲取結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]當有智能設備通過藍牙與節點連接后，節點依次將傳感器監測數據按照從新到舊的順序通過藍牙發往智能設備。如果發送成功，則將數據空間清零，數據指針重新指向數據空間的開始位置。如果發送被異常中斷，則數據空間不清零，數據指針的位置也不變化。當發送成功或傳輸異常中斷后，單片機等待一個采樣間隔對應的時長后開始下一次采樣。

在某一具體實施例中，核心處理部分的單片機選擇微芯公司出品的PIC16LF1947單片機。PIC16LF1947為采用nanoWatt XLP技術的64引腳8位CMOS閃存單片機。其具有較低的功耗，具有較好的抗電磁干擾特性。其內還可提供兩個支持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型通用同步/異步收發器。在實施中，PIC16LF1947單片機采用3.3V供電，在供電引腳處設置一0.1uF的0805封裝的表貼陶瓷電容用于去耦。PIC16LF1947單片機的工作時鐘采用其內部振蕩器，工作頻率設定為16MHz。實施中PIC16LF1947選用TQFP-64封裝。數據采樣間隔設定為128秒。

節點中藍牙模塊選擇微芯公司出品的RN4020藍牙模塊，該模塊滿足藍牙4.0/BLE規范設備的要求。模塊采用GFSK調制方式，最大傳輸速率為1Mbps，最大傳輸距離可達到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)

節點上氧氣傳感器、一氧化碳傳感器、環氧乙烷傳感器、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公司B30X-L5系列的4系引線板連接到城市技術公司生產的0.4-2.0V電壓輸出智能變送傳輸板上，形成對應的傳感器模塊。智能變送傳輸板根據傳感器測量值產生的電壓輸出供PIC16LF1947單片機進行AD采集。AD采樣中PIC16LF1947的采樣精度為10位，參考電壓設定為2.048V。各氣體傳感器模塊與PIC16LF1947的連接方式如圖3所示。

環境溫濕度傳感器選擇瑞士SENSIRION公司生產的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定性。其可提供12位分辨率的濕度數據及14位分辨率的溫度數據。SHT11在節點中使用3.3V供電，在其供電引腳處設置一0805封裝、100nF的電容。SHT11與PIC16LF1947連接的數據線需用阻值10KΩ、0805封裝的電阻進行上拉。該傳感器與PIC16LF1947的連接方式如圖4所示。

環境氣壓傳感器采用飛思卡爾MPL3115A2，其測量范圍為20kPa到110kPa。該傳感器可以將環境氣壓數據通過I2C接口發往PIC16LF1947。MPL3115A2在節點中使用3.3V供電，在其供電引腳處設置一0805封裝、0.1uF的電容。MPL3115A2與PIC16LF1947連接的數據線需用阻值10KΩ、0805封裝的電阻進行上拉。MPL3115A2 PIC16LF1947的連接方式如圖5所示。

系統供電選用賽特12V12AH BT-12M12AC免維護鉛酸蓄電池。蓄電池的輸出通過LM2596-5型DC-DC芯片加以轉換，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設有電壓濾波等部分，所以不需要設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過10KΩ：100KΩ的電阻分壓被PIC16LF1947進行AD采集，分壓電阻為0805封裝，精度為1％的表帖電阻。當鉛酸電池輸出電壓小于11V時PIC16LF1947通過導通有源蜂鳴器串聯的三極管進行低電壓報警。三極管采用TO92封裝的8050三極管，蜂鳴器串聯電阻為100Ω。系統供電部分結構如圖6所示。

節點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。節點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備掃描的QR編碼格式的二維碼以便提供其接入節點所需的藍牙信息。二維碼中寫入藍牙ID及節點ID。