專利名稱：可支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的空
氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備。
背景技術(shù)：
空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)是環(huán)境保護(hù)的主要手段，當(dāng)前生活、生產(chǎn)中的有毒有害氣體排放量
大，空氣污染問題已引起廣泛關(guān)注。研究空氣質(zhì)量參數(shù)的在線檢測(cè)方法，開發(fā)低成本、高精
度且適合大范圍內(nèi)分布式監(jiān)測(cè)的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備顯得尤為迫切。
目前，國(guó)外已采用先進(jìn)的大氣及污染物實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開展不同時(shí)空尺度的監(jiān)
測(cè)與分析，常用的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法主要有兩種，即傳統(tǒng)的人工采樣、實(shí)驗(yàn)室分析的方法及
通過有線的方式構(gòu)建由遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心和位于現(xiàn)場(chǎng)的若干個(gè)監(jiān)測(cè)子站組成的空氣質(zhì)量自動(dòng)
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法。前者成本高，不能對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效地自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)，存在監(jiān)測(cè)
周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)采集慢等問題，無法反映空氣環(huán)境的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化情況，不易及早發(fā)現(xiàn)污染源
并報(bào)警。后者雖能較好解決上述存在的問題，但由于有預(yù)先鋪設(shè)電纜和建立多個(gè)監(jiān)測(cè)子站
的施工要求，故有系統(tǒng)成本高、監(jiān)測(cè)范圍有限、實(shí)施和維護(hù)難度大、易對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域造成破壞
等缺點(diǎn)。 采用GPRS無線技術(shù)構(gòu)建空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在待監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)并放置 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，位于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心的工作人員發(fā)布指令，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸 至現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)其配置和管理，達(dá)到遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的目的，并將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備 收集到的空氣質(zhì)量參數(shù)發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心，供工作人員分析。與常用的監(jiān)測(cè)方法相比，基于 GPRS無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)施、運(yùn)行及維護(hù)時(shí)更為方便快捷。通過GPRS網(wǎng) 絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心之間的通信，使得現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的位置以及它們之間的距 離不受環(huán)境約束，具有布設(shè)方便、成本低、不受地理環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸 的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備。 該監(jiān)測(cè)設(shè)備可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心通信，實(shí)現(xiàn)控制指令與監(jiān)測(cè)參數(shù)的雙向遠(yuǎn)程 傳輸。 本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為 可支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備包括電源管理模塊、空氣質(zhì)量參數(shù)采集模 塊、微處理器模塊和GPRS傳輸模塊。 所述的電源管理模塊包括鋰電池、3. 3V電壓轉(zhuǎn)換電路和12V電壓轉(zhuǎn)換電路，鋰電 池為3. 3V電壓轉(zhuǎn)換電路和12V電壓轉(zhuǎn)換電路提供電源；3. 3V電壓轉(zhuǎn)換電路和12V電壓轉(zhuǎn) 換電路均采用成熟產(chǎn)品。 所述的空氣質(zhì)量參數(shù)采集模塊包括溫濕度變送器、氣壓變送器、二氧化硫變送器、
3一氧化氮變送器、二氧化氮變送器和IA轉(zhuǎn)換電路； 溫濕度變送器信號(hào)輸出端與I/V轉(zhuǎn)換電路的第一通道連接，氣壓變送器信號(hào)輸出 端與1/V轉(zhuǎn)換電路的第二通道連接，二氧化硫變送器信號(hào)輸出端與1/V轉(zhuǎn)換電路的第三通 道連接，一氧化氮變送器信號(hào)輸出端與1/V轉(zhuǎn)換電路的第四通道連接，二氧化氮變送器信 號(hào)輸出端與IA轉(zhuǎn)換電路的第五通道連接。 所述的微處理器模塊的控制端與12V電壓轉(zhuǎn)換電路連接，微處理器模塊的電源端
與3. 3V電壓轉(zhuǎn)換電路連接，微處理器模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口與1/V轉(zhuǎn)換電路連接。 所述的GPRS傳輸模塊與微處理器模塊的通用同步/異步串行接收/發(fā)送器
(USART)接口連接，GPRS傳輸模塊的電源端與3. 3V電壓轉(zhuǎn)換電路連接。 本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn) 1.實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)類型多樣、覆蓋范圍廣?？蓪?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、傳輸多種空氣質(zhì)量參 數(shù)(包括溫度、濕度、氣壓、二氧化硫、氮氧化物含量)。監(jiān)測(cè)設(shè)備部署方便，不受地理環(huán)境約 束，可以監(jiān)測(cè)大范圍區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量變化情況。 2.通信能力強(qiáng)、傳輸速度快。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心的 雙向通信。所采用的GPRS模塊MC35具有永久在線連接、快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)下載的特點(diǎn)， 使得系統(tǒng)通信具有傳輸速率快、通信質(zhì)量高、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，滿足空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中 參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆?3.設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。設(shè)備各部件均采用符合工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的器件，在野外惡劣的 環(huán)境條件下具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。此外采用電源管理模塊以及低功耗元件大大減少了整個(gè) 系統(tǒng)的能量消耗，使其在野外環(huán)境下可持久工作。 4.數(shù)據(jù)處理速度快，功能強(qiáng)。本發(fā)明使用高性能處理器，提高了數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)
傳輸能力，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性并有利于今后的系統(tǒng)升級(jí)和功能更新。 5.系統(tǒng)成本低。相對(duì)于常用的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工采樣實(shí)驗(yàn)室分析方法，本
發(fā)明的設(shè)備成本更為低廉。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的空氣質(zhì)量參數(shù)信號(hào)流示意圖；
圖3為以本發(fā)明為單位的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述。 如圖1所示，可支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備包括電源管理模塊1、空氣質(zhì)量 參數(shù)采集模塊2、微處理器模塊3和GPRS傳輸模塊4。 電源管理模塊1包括鋰電池1-1 、 12V電壓轉(zhuǎn)換電路1-2和3. 3V電壓轉(zhuǎn)換電路1_3 。 所采用的YSD-12450鋰電池1-1標(biāo)稱容量為4. 5Ah，為12V電壓轉(zhuǎn)換電路1_2和3. 3V電壓 轉(zhuǎn)換電路1-3提供電源，并通過電壓轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生3. 3V和12V電壓為各個(gè)模塊供電。
以LM2596-12為核心的電壓轉(zhuǎn)換電路模塊1_2，為空氣質(zhì)量參數(shù)采集模塊2中的五 個(gè)空氣質(zhì)量參數(shù)變送器和1/V轉(zhuǎn)換電路2-6提供12V電壓；以LM2596-3. 3為核心的電壓轉(zhuǎn)換電路模塊1-3，為微處理器模塊3和GPRS傳輸模塊4提供3. 3V電壓。
空氣質(zhì)量參數(shù)采集模塊2包括溫濕度變送器2-l、氣壓變送器2-2、二氧化硫變送 器2-3、一氧化氮變送器2-4、二氧化氮變送器2-5和1/V轉(zhuǎn)換電路2-6。各空氣質(zhì)量參數(shù)變 送器輸出的電流信號(hào)通過IA轉(zhuǎn)換電路2-6，轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。微處理器模塊3對(duì)I/V 轉(zhuǎn)換電路2-6輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行分析和處理，完成多種空氣質(zhì)量參數(shù)的采集。
所使用的變送器有溫濕度變送器KGC 3/9(溫度量程為-20 8(TC，精度為 ±0. 3。C，輸出4 20mA電流；濕度量程為0 100% rh，精度為±2% rh，輸出4 20mA 電流)，氣壓變送器HD9408T BARO(量程為600 1100mbar，精度為±0. 4mbar，輸出4 20mA電流)，二氧化硫變送器MIC-100-S02(量程為0 100ppm，精度為±5% (F.S)，輸出 4 20mA電流)， 一氧化氮變送器NBG80-N0 (量程為0 500ppm，精度為± 5 % (F. S)，輸出 4 20mA電流)，二氧化氮變送器NBG80-N02 (量程為0 500ppm，精度為±5% (F. S)，輸 出4 20mA電流)。I/V轉(zhuǎn)換電路2-6以LM324集成運(yùn)算放大器為核心搭建，多種空氣質(zhì) 量參數(shù)變送器輸出4 20mA電流信號(hào)，通過1/V轉(zhuǎn)換電路2-6轉(zhuǎn)換為6路0 3. 3v的電 壓信號(hào)，送入微處理器模塊3的A/D轉(zhuǎn)換器，完成空氣質(zhì)量參數(shù)采集。 溫濕度變送器2-l信號(hào)輸出端與I/V轉(zhuǎn)換電路的第一通道信號(hào)連接，氣壓變送器 2-2信號(hào)輸出端與I/V轉(zhuǎn)換電路的第二通道信號(hào)連接，二氧化硫變送器2-3信號(hào)輸出端與 1/V轉(zhuǎn)換電路的第三通道信號(hào)連接，一氧化氮變送器2-4信號(hào)輸出端與I/V轉(zhuǎn)換電路的第四 通道信號(hào)連接，二氧化氮變送器2-5信號(hào)輸出端與1/V轉(zhuǎn)換電路的第五通道信號(hào)連接。
微處理器模塊3的控制端與12V電壓轉(zhuǎn)換電路1-2連接，微處理器模塊3的電源 端與3. 3V電壓轉(zhuǎn)換電路1-3連接，微處理器模塊3的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口與1/V轉(zhuǎn)換電路2-6連 接。 微處理器模塊采用MSP430F1611低功耗處理器作為核心，用于控制現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備 與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心的通信，并對(duì)采集的空氣質(zhì)量參數(shù)作分析、處理與歷史記錄。
MSP430F1611低功耗處理器的多路12位A/D轉(zhuǎn)換器用來采集和處理空氣質(zhì)量參 數(shù)采集模塊傳輸?shù)目諝赓|(zhì)量參數(shù)信號(hào)。微處理器模塊通過通用同步/異步串行接收/發(fā) 送器(Universal Synchronous/AsynchronousReceiver/Transmitter， USART)與GPRS傳 輸模塊互連，實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量參數(shù)的傳輸。微處理器模塊利用單刀單擲開關(guān)ISL43110控制以 LM2596-12為核心的電壓轉(zhuǎn)換電路模塊，在設(shè)備不采集空氣質(zhì)量參數(shù)的情況下，停止12V電 壓轉(zhuǎn)換電路模塊對(duì)多種空氣質(zhì)量參數(shù)變送器和IA轉(zhuǎn)換電路供電，以降低設(shè)備能耗。
GPRS傳輸模塊4與微處理器模塊3的USART接口連接，GPRS傳輸模塊4的電源端 與3. 3V電壓轉(zhuǎn)換電路1-3連接。 GPRS傳輸模塊采用德國(guó)Siemens MC35模塊，通過USART接口與微處理器模塊互 連。MC35模塊的工作電壓為3. 3 4. 8V，處于休眠狀態(tài)、空閑狀態(tài)和發(fā)射狀態(tài)時(shí)，平均電流 分別為3. 0mA、10. OmA和300mA。利用AT指令控制MC35，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備與監(jiān)測(cè)中心間的通 信，最高速率達(dá)85. 6kb/s。 如圖2所示，多種空氣質(zhì)量參數(shù)變送器采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的多種空氣質(zhì)量參數(shù)，輸 出4 20mA電流信號(hào)，經(jīng)由1/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，傳輸至微處理器模塊 的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為微處理器可以操作的數(shù)字信號(hào)，微處理器模塊對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的空氣質(zhì) 量參數(shù)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，并通過USART傳輸至GPRS傳輸模塊MC35， GPRS傳輸模塊MC35
5可根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心的要求或定時(shí)將空氣質(zhì)量參數(shù)信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。
如圖2和圖3所示，在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流、狀態(tài)流、命令 流傳輸情況如下。在監(jiān)測(cè)過程中，分布于監(jiān)測(cè)區(qū)域中的監(jiān)測(cè)設(shè)備通過空氣質(zhì)量參數(shù)采集模 塊采集空氣的溫度、濕度、氣壓、二氧化硫、氮氧化物含量等參數(shù)，由處理器MSP430F1611的 A/D口送微處理器模塊作處理和分析，并存儲(chǔ)該監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)。最終將采集的空氣質(zhì) 量參數(shù)和監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)信息連同分析處理后的報(bào)警信息，經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān) 測(cè)中心。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心接收監(jiān)測(cè)設(shè)備上傳的各種信息，分析處理相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)需要 發(fā)送控制指令至各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備接收到指令后，經(jīng)解碼做出相應(yīng)的控 制操作，例如，配置相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備，以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心簡(jiǎn)單的控制要求。
該空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備工作過程如下電源管理模塊的YSD-12450鋰電池提供12V 電源，通過以LM2596-12為核心的電壓轉(zhuǎn)換電路模塊，為多種空氣質(zhì)量參數(shù)變送器和1/V轉(zhuǎn) 換電路提供12V電壓，通過以LM2596-3. 3為核心的電壓轉(zhuǎn)換電路模塊，為微處理器模塊和 GPRS傳輸模塊MC35提供3.3V電壓。微處理器模塊利用單刀單擲開關(guān)ISL43110控制以 LM2596-12為核心的電壓轉(zhuǎn)換電路模塊，在設(shè)備不采集空氣質(zhì)量參數(shù)的情況下，停止電壓轉(zhuǎn) 換電路模塊對(duì)多種空氣質(zhì)量參數(shù)變送器和IA轉(zhuǎn)換電路供電，以降低設(shè)備能耗。當(dāng)微處理 器模塊允許以LM2596-12為核心的電壓轉(zhuǎn)換電路模塊為多種空氣質(zhì)量參數(shù)變送器和1/V轉(zhuǎn) 換電路供電時(shí)，空氣質(zhì)量參數(shù)采集模塊開始采集多種空氣質(zhì)量參數(shù)。其中，多種空氣質(zhì)量 參數(shù)變送器可采集包括溫度、濕度、氣壓、二氧化硫、氮氧化物含量等多種參數(shù)，多種空氣質(zhì) 量參數(shù)變送器輸出的電流信號(hào)，通過IA轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為6路0 3. 3v的電壓信號(hào)，送入 微處理器模塊的A/D轉(zhuǎn)換器，完成空氣質(zhì)量參數(shù)采集。微處理器模塊的多路12位A/D轉(zhuǎn)換 器把空氣質(zhì)量參數(shù)采集模塊傳輸?shù)哪M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并且對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)作 分析和處理，然后把分析處理后的空氣質(zhì)量參數(shù)信號(hào)通過USART接口傳輸至GPRS傳輸模塊 MC35，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送空氣質(zhì)量參數(shù)至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。 本發(fā)明提供的基于GPRS技術(shù)、可支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，作為整個(gè)空 氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求
可支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括電源管理模塊、空氣質(zhì)量參數(shù)采集模塊、微處理器模塊和GPRS傳輸模塊，其特征在于電源管理模塊包括鋰電池、3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路和12V電壓轉(zhuǎn)換電路，鋰電池為3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路和12V電壓轉(zhuǎn)換電路提供電源；空氣質(zhì)量參數(shù)采集模塊包括溫濕度變送器、氣壓變送器、二氧化硫變送器、一氧化氮變送器、二氧化氮變送器和I/V轉(zhuǎn)換電路；溫濕度變送器信號(hào)輸出端與I/V轉(zhuǎn)換電路的第一通道連接，氣壓變送器信號(hào)輸出端與I/V轉(zhuǎn)換電路的第二通道連接，二氧化硫變送器信號(hào)輸出端與I/V轉(zhuǎn)換電路的第三通道連接，一氧化氮變送器信號(hào)輸出端與I/V轉(zhuǎn)換電路的第四通道連接，二氧化氮變送器信號(hào)輸出端與I/V轉(zhuǎn)換電路的第五通道連接；微處理器模塊的控制端與12V電壓轉(zhuǎn)換電路連接，微處理器模塊的電源端與3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路連接，微處理器模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口與I/V轉(zhuǎn)換電路連接；GPRS傳輸模塊與微處理器模塊的通用同步/異步串行接收/發(fā)送器接口連接，GPRS傳輸模塊的電源端與3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備?，F(xiàn)有的設(shè)備成本高、監(jiān)測(cè)范圍有限。本發(fā)明包括電源管理模塊、空氣質(zhì)量參數(shù)采集模塊、微處理器模塊和GPRS傳輸模塊。電源管理模塊為空氣質(zhì)量參數(shù)采集模塊、微處理器模塊和GPRS傳輸模塊供電，空氣質(zhì)量參數(shù)采集模塊中的多個(gè)變送器經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路后輸出信號(hào)至微處理器模塊，GPRS傳輸模塊與微處理器模塊的USART接口連接。本發(fā)明實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)類型多樣、覆蓋范圍廣；通信能力強(qiáng)、傳輸速度快。
文檔編號(hào)G01D21/02GK101701952SQ20091015492
公開日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者宋華華, 柴利, 蔣鵬, 陳歲生 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)