一种环境监测与自动控制装置的制作方法

本发明属于环境检测与保护技术领域，具体涉及一种环境监测与自动控制装置。

背景技术：

环境是地球表面一切有生命的物质赖以生存的基本条件。没有一个好的环境，人类的生存及其社会活动就无法维持下去，植物的光合作用不能进行，其它生物也不复存在。所以，当环境遭受污染之后，其成分、性质都发生了改变，这势必会对人体健康、动植物生长生活以及生态平衡乃至各种器物的存放产生有害的影响。近年来，随着城市工业的发展，环境污染日益严重，空气质量进一步恶化，不仅危害到人们的正常生活，而且严重威胁着人们的身心健康。

为了保护我们赖以生存的环境免于污染，环境监测与控制技术得到了迅猛发展，各种有害气体的检测与控制装置如雨后春笋般层出不穷。但是空气净化效果并不理想，一般只能对一种或很少的几种指标进行检测和控制，而且检测与控制装置的布置比较分散(传感器一般设置在控制现场)，不利于装置的一体化。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种能够对多项指标进行监测与自动控制的装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种环境监测与自动控制装置，包括：中央处理单元，与中央处理单元相连的气体采样单元和执行单元，其中，

中央处理单元，用于对来自气体采样单元的数据进行处理和输出控制信号至执行单元。

气体采样单元，包括通过进气管道与被控环境相连的气泵，和设置在气泵出气管道中的氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、温度传感器和湿度传感器，气泵用于将被控环境中的空气实时抽出作为采样气体。

执行单元，包括在中央处理单元控制下工作的氧气浓度调节器、二氧化碳浓度调节器、温度调节器和湿度调节器。

进一步地，所述装置还包括与中央处理单元连接、用于显示被控环境的预设参数和实时参数(实时测得的参数)的显示单元。

进一步地，所述装置还包括与中央处理单元连接用于与上位机、气体采样单元和执行单元进行无线连接的无线通信模块。

进一步地，所述氧气浓度调节器包括氧气源和氮气源。

更进一步地，所述氧气源包括制氧机、氧气瓶、氧气罐、第一减压阀和第一电磁阀或开度大小可连续调节的第一电动阀，所述氮气源包括制氮机、氮气瓶、氮气罐、第二减压阀和第二电磁阀或开度大小可连续调节的第二电动阀。

进一步地，所述二氧化碳浓度调节器为鼓风机。

进一步地，所述温度调节器为空调和/或加热器。

进一步地，所述湿度调节器为干燥机和/或加湿器。

进一步地，所述中央处理单元具体用于分别计算被控环境的各个预设参数和实时参数的差值，并分别输出控制信号至对应的调节器，使调节速度正比于所述差值，当所述差值为0时停止调节。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出的一种环境监测与自动控制装置，通过设置中央处理单元以及与中央处理单元相连的气体采样单元和执行单元，实现了对被控环境的监测与自动控制。本发明通过在气体采样单元中设置氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、温度传感器和湿度传感器，在执行单元中设置氧气浓度调节器、二氧化碳浓度调节器、温度调节器和湿度调节器，实现了对被控环境多项指标的监测与自动控制，提高了环境控制效果；通过设置安装传感器的气体采样单元，将传感器安装在被控环境之外，使所述装置易于一体化。

附图说明

图1为本发明实施例一种环境监测与自动控制装置的方框图。

图中：1-中央处理单元，2-气体采样单元，21-氧气浓度传感器，22-二氧化碳浓度传感器，23-温度传感器，24-湿度传感器，25-气泵，3-执行单元，31-氧气浓度调节器，32-二氧化碳浓度调节器，33-温度调节器，34-湿度调节器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例一种环境监测与自动控制装置的方框图如图1所示，所述装置包括：中央处理单元1，与中央处理单元1相连的气体采样单元2和执行单元3，其中：

中央处理单元1，用于对来自气体采样单元2的数据进行处理和输出控制信号至执行单元3。

气体采样单元2，包括通过进气管道与被控环境相连的气泵25，和设置在气泵25出气管道中的氧气浓度传感器21、二氧化碳浓度传感器22、温度传感器23和湿度传感器24，气泵25用于将被控环境中的空气实时抽出作为采样气体。

执行单元3，包括在中央处理单元1控制下工作的氧气浓度调节器31、二氧化碳浓度调节器32、温度调节器33和湿度调节器34。

在本实施例中，所述装置主要由中央处理单元1、气体采样单元2和执行单元3组成。中央处理单元1是所述装置的数据处理和控制中心，主要用于对来自气体采样单元2各个传感器的数据进行处理，计算被控环境的实时参数，输出控制信号至执行单元3的各个调节器对被控环境进行控制，即自动调节被控环境的参数。被控环境可以是室内环境，如机房、实验室、暖房等；也可以是室外或野外环境，如野外的帐篷；还可以是构建的模拟环境，如在地面建立一个高原模拟环境。被控环境内设有两种管道，一种是较细的气泵抽气管道，一种是执行单元3(如氧气浓度调节器31)向被控环境内注入气体(如氧气)的较粗的管道。为了使被控环境内的气体均匀分布，这些管道通过增加三通在被控环境内呈多点分布，必要时在出气口加装消音装置。现有环境控制系统一般将被控环境故意设置成完全封闭状态，本发明实施例除非被控环境客观要求必须完全密封，将被控环境设置成相对密封。这样设置不但降低了被控环境搭建的要求，而且有利于被控环境内气体保持新鲜。另外，被控环境内外的大气压相等，在需要测量大气压的应用场景可以将传感器安装在被控环境外，有利于装置的一体化。气体采样单元2主要用于实时采集被控环境的参数信号，如氧气浓度信号。相对于现有技术将传感器设置在被控环境现场，本发明实施例的气体采样单元2，通过气泵25实时抽出被控环境内的气体，将传感器安装在气泵25的出气管道中，气泵25出气管道中的气体参数与被控环境内的气体参数相同，实现了传感器与被控环境现场的分离，有利于所述装置的一体化。为了使气泵25抽气不改变被控环境的参数，气泵25一般采用微气泵，使单位时间的抽气量尽量小。当然，为了保证气体采样单元2内的气体参数与被控环境内的气体参数一致，有时需要对气泵25的进气管道和出气管道进行保温处理。执行单元3主要用于在中央处理单元1的控制下调节被控环境的参数，如通过注入新鲜空气降低被控环境内二氧化碳的浓度，通过致冷降低被控环境内的温度等。

值得说明的是，本实施例既可以对被控环境内的氧气浓度、二氧化碳浓度、温度和湿度中的任意一种、两种或三种参数进行控制，也可以同时对所述四种参数进行控制。另外，本实施例并不限于对上述四种参数的监测与控制，通过增加传感器和相应的调节器，还可以对其它参数如大气压、有毒气体含量的监测与控制，实现功能扩展。

作为一种可选实施例，所述装置还包括与中央处理单元1连接、用于显示被控环境的预设参数和实时参数的显示单元。

在本实施例中，所述装置还包括显示单元。所述显示单元主要由与中央处理单元1连接的显示器组成，主要用于显示被控环境的预设参数和实时测得的参数，如预设的实测的氧气浓度、二氧化碳浓度、温度和湿度。当然，显示单元还可用于显示人机交互界面。

作为一种可选实施例，所述装置还包括与中央处理单元1连接用于与上位机、气体采样单元2和执行单元3进行无线连接的无线通信模块。

在本实施例中，所述装置还包括无线通信模块。无线通信模块可以是远距离通信模块也可以是近距离通信模块(如蓝牙通信)，用于实现中央处理单元1与上位机、气体采样单元2和执行单元3的数据传输。无线通信模块主要由与中央处理单元1连接的无线通信芯片和设置在上位机、气体采样单元2和执行单元3端的无线通信芯片组成。设置无线通信模块可以免除有线连接的限制，使所述装置的架设和使用更方便。

作为一种可选实施例，所述氧气浓度调节器31包括氧气源和氮气源。

本实施例给出了氧气浓度调节器31的一种较佳实施方式，所述氧气浓度调节器31包括氧气源和氮气源。在很多环境中氧气浓度既不能太低也不能过高，而是要求控制在一定范围。本实施例的氧气源用于当实时测得的被控环境的氧气浓度低于预设的下限值时，向被控环境补充氧气；本实施例的氮气源用于当实时测得的氧气浓度高于预设的上限值时，向被控环境注入氮气。

作为上一实施例的一种可选实施例，所述氧气源包括制氧机、氧气瓶、氧气罐、第一减压阀和第一电磁阀或开度大小可连续调节的第一电动阀，所述氮气源包括制氮机、氮气瓶、氮气罐、第二减压阀和第二电磁阀或开度大小可连续调节的第二电动阀。

本实施例分别给出了上一实施例的氧气源和氮气源的一种具体实施方式。氧气源包括制氧机、氧气瓶、氧气罐、第一减压阀和第一电磁阀或开度大小可连续调节的第一电动阀。采用制氧机免去了频繁更换设备的麻烦。设置电磁阀或电动阀的目的是实现对氧气源供氧的自动控制。电磁阀一般只能进行通、断控制，电动阀不断可以进行通、断控制，还能连续调节其开度大小。通过改变第一电磁阀的通、断时间比或改变第一电动阀的开度大小，可以调节氧气源的供氧速度。氮气源的组成与氧气源类似，这里不再赘述。

作为一种可选实施例，所述二氧化碳浓度调节器32为鼓风机。

本实施例给出了二氧化碳浓度调节器32的一种较佳实施方式，即采用鼓风机调节被控环境的二氧化碳浓度。当实时测得的被控环境的二氧化碳浓度超过预设的上限值时，启动鼓风机向被控环境中注入外面的新鲜空气，降低二氧化碳含量。

作为一种可选实施例，所述温度调节器33为空调和/或加热器。

本实施例给出了温度调节器33的较佳实施方式，采用空调或加热器调节被控环境的温度。当被控环境只限定最低温度时，采用加热器升温；当被控环境只限定最高温度时，采用空调降温；当被控环境要求温度控制在一个范围内时，同时设置空调和加热器，当然也可以采用同时具有制冷和制热功能的空调。

作为一种可选实施例，所述湿度调节器34为干燥机和/或加湿器。

本实施例给出了湿度调节器34的较佳实施方式，采用干燥机和/或加湿器调节被控环境的湿度。

作为一种可选实施例，所述中央处理单元1具体用于分别计算被控环境的各个预设参数和实时参数的差值，并分别输出控制信号至对应的调节器，使调节速度正比于所述差值，当所述差值为0时停止调节。

本实施例给出了对被控环境进行控制的具体方法。最简单的控制方法是当某个或几个参数的实测值即实时参数与预设参数不符时，启动相应的调节器进行匀速调节，当实时参数与预设参数相符时关闭相应的调节器停止调节。但由被控环境是一个延迟系统，即参数在调节过程处于动态变化，即使停止调节，对应参数也不会立即停止变化，因此匀速调节不能达到预期效果。本实施例给出的方法是调节速度与预设参数和实时参数的差值成正比，差值越大，调节越快，这样调节的起始阶段调节速度最快，可以使相应的参数快速接近预设值；随着所述差值的减小，逐渐放慢调节速度，当差值为0即实时参数等于预设参数时，调节速度也为0即停止调节，这时相应参数不会再继续变化。

四种参数的调节方法基本相同，下面以氧气浓度的调节为例说明调节速度的设置方法。如前所述，氧气浓度的调节方法有两种：一种是通过控制电磁阀通断时间比改变调节速度的通断调节法；一种是通过连续调节电动阀的开度大小改变调节速度的连续调节法。下面对两种方法分别进行讨论。

1、通断调节法

假设通断周期为t秒，则第n个通断周期的接通时间为：

t(n)＝t*(y-y(n-1))/(y-y(0))(1)

式中，t(n)为第n个通断周期的接通时间，单位为秒，y为预设的氧气浓度，y(0)调节起始时实时测得的氧气浓度，y(n-1)为第n-1个通断周期时实时测得的氧气浓度，n＝0，1，2，……。

由(1)式得，t(1)＝t，开始调节时，差值最大电磁阀通断比最大(只通不断)；当y(n-1)＝y时，t(n)＝0，差值最小(为0)电磁阀通断比最小(只断不通)，停止调节。

2、连续调节法

假设电动阀的最大开度为1，当实时测得的氧气浓度为y时，电动阀的开度k为：

k＝(y-y)/(y-y(0))(2)

由(2)式得，开始调节时y＝y(0)，k＝1，差值最大电动阀开度最大(开满)；当y＝y时，k＝0，差值最小电动阀开度最小(断开)。

上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。