一种具有保护功能的电子鼻气体检测系统的制作方法

本发明是一种具有保护功能的电子鼻气体检测系统，通过相应的硬件，路由算法，协议栈的改进，实现高健壮性的物联网络，实现对气体的实时监测,并且可以对系统自我保护。

背景技术：

气体的泄漏会给人类的生产生活造成极大的危害，由于危险气体或粉尘的泄漏导致爆炸事件，时有发生，比如天津港爆炸事件，石油管道漏气导致的爆炸等，获知环境危险气体的浓度，有利于实施监测环境，及时获得气体泄漏信息。及时的获得气体的泄漏位置，不仅有利于挽救生命，而且能够为后续的抢险工作提供依据，有利于采取相应的处理措施。并且，泄漏地点一般环境恶劣，或者对设备要求很高，人员难以进行现场检测，甚至难以布线。基于自组织网络的气体监测系统建设就具有很大现实意义。

无线传感网络是当前通信和网络领域中的研究热点问题，其应用前景非常广泛，体现在物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等主要应用领域。随着短距离无线通讯技术的发展，使得把相互独立的气体监测仪通过短距离无线通讯组成一个危险气体监测网络成为了可能。

气体监测系统将相互独立的气体监测仪进行“集中化”的管理，能应用于监测更大的范围，为危险气体的应用场所提供智能化的监测和安全化的保证。国内外对基于无线传感器网络的气体监测系统的研究还处于起步阶段，还有很大的研究空间。

目前，气体检测的研究重点主要集中在两个层面，即传感器机理层面和应用层面，前者主要研究传感器工作原理和性能(如气敏机理、灵敏度特性、温湿度特性等)，后者集中解决传感器在实际气体检测应用中的关键问题(如选择性改善、漂移补偿、功耗性降低等)以及研究与之相关的信号处理方法。在基于物联网的气体监测方面，目前研究的还很少。

无线传感网应用于危险气体大规模检测面临诸多难点。在低硬件成本方面,需要研究集成化，全数字化，通用化的电路设计方法；在节能方面,需要设计具有高数据率，低符号率的编码，调制算法；在节能的基础上，如何提高带宽的利用率和信道访问的公平性，降低通信延迟；如何在拓扑结构，信道质量动态变化的条件下，为上层应用提供节能，可靠，实时性高的数据传输服务。

技术实现要素：

围绕上述问题，我们提出了一种具有保护功能的电子鼻气体检测系统，通过相应的硬件，路由算法，协议栈的改进，实现高健壮性的物联网络，实现对气体的实时监测和对系统的自我保护。

节点设计主要有微处理器、信号采集模块无线通信模块和能量供应模块等。由MQ-2、MQ-3、MQ-4等气敏传感器组成的传感器阵列，以获取危险气体浓度信号。CC2530模块作为无线传输模块，同时参与自组织网络通信管理。DSP作为主控制模块，实现A/D转换，通过算法实现电压信号到浓度信号的转化，进行数据预处理和融合，通过模块可以定制危险气体浓度阀值，如果危险气体浓度超过设定的阀值，该传感器节点能发出声光报警信号并能将报警信息上传到监控。

软件部分主要包括两个部分：底层运行程序和气体数据的远程管理和显示。

在完成基本气体检测的同时，我们还设计有应对与恶劣工作环境的自我保护功能，自我保护是本系统的创新部分，也是设计的重要部分，本设计在自我保护中的创新在于以下几点：

(1)本设计在气体检测部分有真空泵，能够对腐蚀性气体快速响应并作出相应的应对措施，保护传感器，延长系统的寿命。

(2)本设计在检测到气体中具有腐蚀性气体后，真空泵与气体阀门是可控的，互相协作对腐蚀性气体做出快速响应，关闭气体阀门并且加大真空阀功率，快速排出腐蚀性气体。

(3)本设计中传感器节点还有多种工作模式，可在正常工作模式和保护模式间切换，在其他针对腐蚀性气体检测的装置发现了腐蚀性气体后，会通信告知其他电子鼻节点。这些节点收到信息后就会切换到保护模式，以达到对传感器节点的保护。

(4)本设计中包含有电子鼻内部排气浓度的估算，在系统检测到具有腐蚀性气体后，会让气室内腐蚀性气体排出，并通过对电子鼻内部排气浓度的估算，在浓度达到系统可以正常工作后，让系统恢复正常工作。

附图说明

为了更好的解释本发明，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述具有保护功能的电子鼻气体检测系统的系统结构框图。

图2为本发明气体检测过程流程框图。

图3为本发明所述具有保护功能的电子鼻气体检测系统的传感器节点模拟图。

具体实施方式

图1是整个系统架构，大量节点构成无线传感网络，节点通过传感器阵列采集气体浓度，通过DSP进行数据滤波，温湿度补偿，数据预处理，数据融合，然后将处理后的数据通过自组织网络发送到汇聚节点，汇聚节点通过移动通信网络上传到上位机，上位机包含了远程数据库和远程监控终端。

无线传感网络在一个气室中，气体通过气体阀门进入反应室，传感器阵列会对气体进行检测，在考虑到我们所设计的具有保护功能的电子鼻气体检测系统可能会用于高腐蚀性气体的检测，例如氯气等，如果传感器与腐蚀性气体接触过久会损害传感器，这样会使传感器的寿命大大降低，传感器更换频率增高，使用户的使用成本增高。因此，在本发明中，我们设计了一些自我保护，以应对此类情况：

(1)在系统中的传感器网络检测到有腐蚀性气体的存在，传感器信号会传输到微处理器中，微处理器得到相应信息会控制传感器电源开关断开，使得传感器阵列断电，达到对传感器的保护作用。

(2)在对传感器断电后，微处理器同时会控制气体阀门，使气体阀门关闭，这样会减少腐蚀性气体的进入反应室中，达到对传感器阵列的保护。

(3)此外，真空泵在气体检测阶段起到的作用是排出已检测的气体，在检测到有腐蚀性气体的存在后，微处理器也会加大真空泵的功率，使得腐蚀性气体的快速排出，达到减少腐蚀性气体对传感器阵列损坏的目的。

图2是系统气体检测过程的流程框图。

(1)系统中设计了传感器阵列来对气体进行检测，所以，在气体的扩散过程中，大量传感器节点检测到气体变化，对气体的浓度变化作出快速的相应，并测量出气体的浓度信息。

(2)传感器阵列将气体浓度等信息传输到微处理器中，微处理器对气体种类进行判断，将获得的电压信号与相应的气体所对应的电压信号进行比较，判断气体是否为带有腐蚀性的气体。

(3)如果反应室内气体的种类为腐蚀性气体，首先断开传感器电源开关，停止对传感器的供电，让传感器节点切换到保护模式，因为传感器在腐蚀性气体环境下工作对传感器有着很大的损害，我们设计了保护模式使传感器在节点在发现有腐蚀性气体的存在下自我保护，通过断电以达到保护作用。

(4)在设计中设计有可控的真空泵，真空泵的功能是让气体能够以合适的速度排出，正常工作模式下保证气体在气室内流速、流量、存留时间合适，使传感器阵列能够对气体作出相应的相应，在保护模式中，能够根据微处理器的控制起到气体快速排出的作用。

(5)然后通过气体阀门和真空泵的相互协作，首先关闭气体阀门，使得腐蚀性气体不再进入反应室内，接着加大真空泵的功率，加快气室内的气体的排出，让气室内的腐蚀性气体尽可能少的与传感器阵列节点相接触，减少对传感器的损坏，达到保护功能。

(6)计算抽风量，估算内部相关气体的浓度，风速V与风道截面积F的乘积，直接用公式Q＝V*F可以进行估算，例如：MQ-2传感器阵列列正常工作的氧气浓度为21％，气室大概为长宽高为20*10*10cm的容器，用公式Q＝V*F可对抽风量估算，当外部检测系统检测到的腐蚀性气体浓度达标后，系统重新启动工作，让微处理器向系统各个设备传输信息，使真空泵恢复到正常功率，开启气体阀门，允许外部气体的进入，恢复传感器阵列的供电，使系统从保护模式切换到正常工作模式，恢复正常工作。

图3是具有保护功能的电子鼻气体检测系统的传感器节点模拟图，一般节点就是真空泵传感器节点等带有自保护功能的节点，特殊节点是电子鼻气体检测系统中检测腐蚀性气体的传感器节点，当腐蚀性气体节点检测到有腐蚀性气体的存在，就向周围的一般节点传递腐蚀性气体的信息，使周围的一般节点进入自保护状态。