一种有轨电车车内环境实时监测系统的制作方法

本实用新型涉及车内气体检测技术领域，具体的，涉及一种有轨电车车内环境实时监测系统。

背景技术：

随着时代的发展，有轨电车已完成了从传统到现代化的转变，现代有轨电车作为介于城市快速轨道交通与常规公交方式之间的公交系统，拥有运行可靠、舒适、节能、环保等特点，能够有效的解决城市交通拥堵，交通污染等共性的社会问题，非常适应现代城市低碳、快捷运输的需求。然而，现代有轨电车车内却没有类似高级轿车、火车、高铁等对车内环境配备有完善的智能监测系统，部分现代有轨电车虽然可以利用部署在电车入口处的非接触检测系统或车内的化学传感器对汽油等可燃危险物品进行监测，但是还没能做到对车内的空气质量及有害气体进行实时的动态检测。

近几年来，市面上开始流行各种体积小，操作简单的便携式气体检测系统, 在申请号为“CN201720046942.2”的中国实用新型专利中，公开了一种车载气体检测装置。该装置包含检测头、一氧化碳传感器、ZigBee模块、控制器、报警器、继电开关；一氧化碳传感器和ZigBee模块均设于检测头内部，一氧化碳传感器与ZigBee模块连接；车体内也设有ZigBee模块，控制器设于车体内，与ZigBee模块连接；控制器分别与设于车体内的继电开关和报警器连接，继电开关串联在汽车的供电电路中。它能时刻监测车内外的一氧化碳气体浓度，避免人员一氧化碳中毒现象的发生。但其是针对汽车设计的，主要检测的气体主要是通过外循环进入车厢的汽车尾气，而现代有轨电车是电力驱动的，并不会出现上述气体，且上述装置无法实时动态显示监测数值，各反馈也仅是针对于汽车设计的，故无法将其应用到现代有轨电车中。

在申请号为“CN201620684893.0”的中国实用新型专利中公开了一种用于与危险气体检测仪通信的作业许可移动终端，该终端利用蓝牙模块将所采集的数据发送到终端并在显示模块显示，但所采用的是蓝牙通讯技术具有很多缺点，蓝牙技术通讯距离短的特点导致该装置无法适用于现代有轨电车狭长的空间，且其功耗较高，并不符合现代有轨电车节能环保的设计理念。

以上设备存在诸多缺陷，无法很好地满足现代有轨电车的要求，市场上极少出现，而现如今可移植到现代有轨电车的环境安全监测装置更是少之又少，而一些有潜力可移植的大多因为没有考虑现代有轨电车独特的环境而无法兼容，例如申请号为“CN201520629180.X”的中国实用新型专利中公开的基于ZIGBEE可穿戴的气体检测报警网络，其各方面都很符合现代有轨电车环境安全检测的各方面的要求，但其在数据采集时并没有考虑到现代有轨电车独特的封闭环境，设计适当的算法与网络结构，从而造成所采集的数据误差较大，同时也没有考虑到实时动态显示在屏幕的问题。

因此，面对现代有轨电车的迅速发展的现状，迫切需要做到对车内的温湿度、空气质量、异常气体（如，甲烷、乙醇等可燃性气体）各项环境指标进行有效的实时监测，从而保证有轨电车的运行安全。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的是提供一种可实时监测车内气体浓度的有轨电车车内环境实时监测系统。

为了实现上述主要目的，本实用新型提供的有轨电车车内环境实时监测系统包括监控终端、主控制器、至少一个无线路由节点以及两个以上的传感器节点，无线路由节点与主控制器通过无线网络进行连接，无线路由节点通过组播方式与对应的传感器节点进行网络连接；传感器节点包括无线主控芯片、空气检测传感器组和电源电路，电源电路向无线主控芯片和空气检测传感器组提供电源，空气检测传感器组向无线主控芯片发送采集数据；无线路由节点获取对应的传感器节点的采集数据，无线路由节点将采集数据发送至主控制器；主控制器将采集数据发送至监控终端。

由上述方案可见，本实用新型的有轨电车车内环境实时监测系统通过各类传感器来实现对车内的温湿度、空气质量、异常气体等的数据采集，并通过无线传感网络进行数据传输，协调器节点接受到终端节点发送的数据后，将数据通过串口发送到上位机，在上位机上实现数据的自动保存、车内温湿度和各种气体浓度动态曲线显示、监控以及报警等功能。

进一步的方案中，传感器节点还包括串口电路，串口电路与无线主控芯片电连接。

由此可见，传感器节点除了可以通过无线通信进行数据传输外，还可通过串口电路进行数据传输，增加数据传输的多样性，提高传感器节点的应用范围。

进一步的方案中，传感器节点还包括指示灯，指示灯与无线主控芯片电连接。

由此可见，设置指示灯，可让用户获知传感器节点的工作状态，便于判断传感器节点是否在正常工作。

进一步的方案中，传感器节点还包括按键电路，按键电路与无线主控芯片电连接。

由此可见，通过设置按键电路，可对传感器节点进行重置或开关等操作。

进一步的方案中，电源电路包括可充电电池以及稳压电路，可充电电池与稳压电路电连接。

由此可见，为了防止车辆在行走时由于振动导致电源线路松动导致断电，在电源电路设置可充电电池，使传感器节点可实现不断电采集数据。

附图说明

图1是本实用新型有轨电车车内环境实时监测系统实施例的系统框图。

图2是本实用新型有轨电车车内环境实时监测系统实施例中传感器节点的电路结构框图。

图3是本实用新型有轨电车车内环境实时监测系统实施例中传感器节点的电源电路的电路原理图。

图4是本实用新型有轨电车车内环境实时监测系统的工作方法实施例的流程图。

图5是本实用新型有轨电车车内环境实时监测系统的工作方法实施例中电阻比值受湿度和温度影响而变化的特性曲线图。

图6是本实用新型有轨电车车内环境实时监测系统的工作方法实施例中电阻比值随气体浓度的变化而变化的特性曲线图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的有轨电车车内环境实时监测系统包括监控终端1、主控制器2、无线路由节点3以及传感器节点4，其中，无线路由节点3为至少一个，传感器节点4为至少两个，无线路由节点3以及传感器节点4可根据需要分布安装在有轨电车室内。无线路由节点3与主控制器2通过无线网络进行连接，无线路由节点3通过组播方式与对应的传感器节点4进行网络连接。监控终端1通过串口数据线与主控制器2电连接。优选的，主控制器2与无线路由节点3之间采用ZIGBEE无线网络，无线路由节点3与传感器节点4之间采用ZIGBEE无线网络。监控终端1可以是台式电脑、笔记本电脑或掌上电脑等智能终端设备。

参见图2，传感器节点4包括无线主控芯片40、空气检测传感器组41、串口电路42、指示灯43、按键电路44和电源电路45，电源电路45向无线主控芯片40、空气检测传感器组41、串口电路42、指示灯43和按键电路44提供电源，空气检测传感器组41、串口电路42、指示灯43和按键电路44分别与无线主控芯片40电连接。空气检测传感器组41用于采集空气中气体的浓度数据，本实施例中，空气检测传感器组41包括温湿度传感器、一氧化碳气体传感器、甲烷气体传感器、乙醇气体传感器、丙烷气体传感器、异丁烷气体传感器和氢气传感器。串口电路42用于与外部电路连接并进行数据交互，指示灯43用于指示传感器节点4的工作状态，按键电路44用于重置传感器节点4。空气检测传感器组41向无线主控芯片40发送采集数据，无线路由节点3获取对应的传感器节点4的采集数据，无线路由节点3将采集数据发送至主控制器2，主控制器2将采集数据发送至监控终端1。优选的，无线主控芯片40为CC2530型号的控制芯片。

参见图3，电源电路45包括电源插口J1、可充电电池B1、电源开关K、第一稳压电路451和第二稳压电路452，可充电电池B1通过电源开关K分别与第一稳压电路451和第二稳压电路452电连接，可充电电池B1与电源开关K的支路上还设置有保险座F和稳压二极管D，电源插口J1电连接于保险座F和稳压二极管D连接的支路上。电源插口J1在接入外接电源时，可向第一稳压电路451和第二稳压电路452提供电源并给可充电电池B1充电，在电源插口J1没有外接电源时，可充电电池B1向第一稳压电路451和第二稳压电路452。

其中，第一稳压电路451包括第一稳压芯片U1和由电容C1和电容C2并联组成的滤波电路，电容C1和电容C2并联组成的滤波电路电连接于第一稳压芯片U1的输出端。优选的，第一稳压芯片U1为AMS1117-5.0型号的稳压芯片。第二稳压电路452包括第二稳压芯片U2和由电容C3和电容C4并联组成的滤波电路，电容C3和电容C4并联组成的滤波电路电连接于第二稳压芯片U2的输出端。优选的，第二稳压芯片U2为AMS1117-3.3型号的稳压芯片。

为了更好的说明本实用新型，下面对本实用新型有轨电车车内环境实时监测系统的工作方法进行描述。

如图4所示，本实用新型有轨电车车内环境实时监测系统在进行空气检测时，首先执行步骤S1，传感器节点4向无线路由节点3发送联网请求，并根据无线路由节点3所返回的联网请求反馈确认是否联网成功。在进行数据采集时，需要先进行网络连接，由于本实用新型的传感器节点4与路由器节点3间以组播方式进行网络连接，因此，每一个传感器节点4均有对应的路由器节点3，因此，传感器节点4需要向对应的路由器节点3发送联网请求。路由器节点3获取到联网请求时，需根据联网请求信息认证请求联网的是否对应的传感器节点4，若是，则返回联网成功的联网请求反馈。传感器节点4获取到联网请求反馈后确认是否成功，若成功，则可进入数据采集或采集数据传送的状态。

联网成功后，执行步骤S2，传感器节点4获取唤醒指令，唤醒空气检测传感器组41进行数据采集，获得采集数据。传感器节点4获取唤醒指令的步骤包括：判断当前时间是否为预设唤醒时间，若是，则获取到唤醒指令；或者在获取到外部唤醒指令时，则获取到唤醒指令。其中，预设的唤醒时间可是程序开发人员设置，还可以是由用户根据需要进行设置。在对空气检测传感器组41中的传感器进行唤醒时，可全部唤醒，也可以根据需要对传感器进行分时唤醒以节省电能。外部唤醒指令可以是由监控终端1所发送的唤醒指令，用户可根据实时需要唤醒需要查看数据的传感器。传感器节点4获取到唤醒指令时，根据唤醒指令对空气检测传感器组41中的传感器进行唤醒操作，使传感器可进行数据采集，获得采集数据。

空气检测传感器组41获得采集数据后，执行步骤S3，传感器节点4根据预设方式对采集数据进行数据优化，并通过对应连接的无线路由节点3将优化后的采集数据发送至监控终端1。

空气检测传感器组41中的传感器主要是依靠内置电阻因待测气体浓度的改变进行工作，由于受工艺的影响，传感器的内置电阻在测量的过程中容易受外界环境的影响，进而导致数据的不精确，虽然现如今可以用神经网络算法来进行补偿，但仍然会存在一定误差，所以，需要一个智能优化算法来减小其误差。每一类型的传感器，在出厂前均会通过检测校准，检测该类型传感器会受哪些外界环境因素的影响，在出售时会提供相应的环境影响因素与电阻比值的特性曲线以及待测气体与电阻比值的特性曲线，使用户更好的应用传感器。但厂商提供的特性曲线仅为几条已知特性曲线，因此，若需要获取特性曲线以外的数据，则需要进行运算的得出。

本实用新型中，预设的优化算法是通过环境影响因素与电阻比值的特性曲线获取特性曲线以外的数据。本实施例中，电阻式传感器主要受温度和湿度的影响，因此，本实用新型中的先设计补偿算法，抽象出温湿度和干扰气体浓度的影响，再设计出浓度获取算法，抽象出目标气体浓度的影响，将补偿算法与浓度获取算法结合使用得出最终希望得到的目标气体浓度值，计算目标气体浓度值的具体过程将在下文详细描述。

本实施例中，传感器节点4根据预设方式对采集数据进行数据优化的步骤包括：获取空气检测传感器组41采集的湿度数据、温度数据以及待测气体所对应的传感器所测得的电阻比值；判断电阻比值是否落在预设的阈值上，若否，根据湿度数据和温度数据获得气体浓度与电阻比值的拟合曲线；根据拟合曲线与待测气体所对应的传感器所测得的电阻比值获得待测气体的浓度值。

例如，一款TGS813型号的传感器，其电阻比值受湿度和温度影响而变化的特性曲线如图5所示，其电阻比值随气体浓度的变化而变化的特性曲线如图6所示。

在对TGS813型号传感器的采集数据进行优化处理时，若获取到同一时间点的湿度为H0%RH、温度为T0℃以及TGS813型号的传感器所测得的电阻比值为B0。判断电阻比值B0是否落在预设的阈值上。预设的阈值是根据已知的电阻比值随气体浓度的变化而变化的特性曲线而设定的。当判断电阻比值B0落在预设的阈值上时，可直接根据电阻比值随气体浓度的变化而变化的特性曲线获得待测气体的浓度。

当判断电阻比值B0没有落在预设的阈值上时，确认采集数据湿度、温度所在的最小区间，例如，湿度H0%RH落在H1%RH与H2%RH之间，温度T0℃落在T1℃与T2℃之间。然后，拟合温度在区间点上时湿度与电阻比值的直线。将（H1%RH，T1℃）与（H2%RH，T1℃）和（H1%RH，T2℃）与（H2%RH，T2℃）分别代入电阻比值受湿度和温度影响而变化的特性曲线的已知点（参见如图5），得到对应的湿度与电阻比值。利用湿度与电阻比值进行直线拟合，得到温度为T1℃时湿度与电阻比值的关系曲线：B1=A1H+C1，其中，B1表示T1℃时的电阻比值，H 表示湿度，A1和C1为常数；温度为T2℃时湿度与电阻比值的关系曲线：B2=A2H+C2，其中，B2表示T2℃时的电阻比值，H 表示湿度，A2和C2为常数。接着，对温度与电阻比值的进行直线拟合，将实测湿度H0%RH分别代入B1=A1H+C1和B2=A2H+C2得到电阻比值B1和B2。将（T1℃，B1）与（T2℃，B2）进行拟合，得温度与电阻比值的关系曲线：B3=A3T+C3，其中，湿度H所处的范围为H1%RH<H<H2%RH，B3表示该湿度下的电阻比值，T表示温度，A3和C3为常数。接着，将实测温度T0℃代入B3=A3T+C3得到在该环境下的传感器内阻阻值B3，根据公式BC=B0/B3获得修正后的电阻比值BC。

获得修正后的电阻比值BC后，根据电阻比值随气体浓度的变化而变化的特性曲线（如图6所示），找出电阻比值BC所在的最小区间(B4,B5)，并得到已知点（P1,B4）、（P2,B5），对已知点（P1,B4）、（P2,B5）进行拟合得到待测气体浓度与电阻比的关系曲线：P=A4B+C4，其中，B4<B<B5，P表示气体浓度，B表示电阻比值, A4和C4为常数。将修正后的电阻比值代入P=A4B+C4则可得到此时对应的气体浓度，从而输出此时待测气体的气体浓度值。

传感器节点4获得待测气体的浓度值等优化后的采集数据后，将优化后的采集数据发送至对应连接的无线路由节点3，无线路由节点3转发至主控制器2，主控制器2最终将优化后的采集数据发送至监控终端1。

在传感器节点4将优化后的采集数据发送至对应连接的无线路由节点3后，执行步骤S4，传感器节点4获取休眠指令，根据休眠指令将空气检测传感器组41休眠。传感器节点4获取休眠指令的步骤包括：判断当前时间是否为预设休眠时间，若是，则获取到休眠指令；或者在获取到外部休眠指令时，则获取到休眠指令。其中，预设的休眠时间可以是程序开发人员设置，还可以是由用户根据需要进行设置。在对空气检测传感器组41中的传感器进行休眠时，可全部休眠，也可以根据需要对传感器进行分时休眠以节省电能。外部休眠指令可以是由监控终端1所发送的休眠指令，用户可根据实时需要将传感器休眠。传感器节点4获取到休眠指令时，根据休眠指令对空气检测传感器组41中的传感器进行休眠操作，节约电能。

在监控终端1获得优化后的采集数据后，执行步骤S5，监控终端1对优化后的采集数据进行实时展示。在进行展示时，通过数据的分析将数据展示在监控终端1的显示屏上。例如，在显示屏上动态显示此时温湿度以及待测气体浓度，并以曲线的形式进行展示。当某一环境参数超过标准时，如车内酒精浓度超标时，显示屏上显示当前酒精浓度并利用节点指出超标所在的大概位置；除此之外，检测中心计算机还可以贮存历史数据，并可以做到实时调取，这可用于对车内环境进行分析，利于空调系统的调节。

由上述可知，本实用新型的有轨电车车内环境实时监测系统通过各类传感器来实现对车内的温湿度、空气质量、异常气体等的数据采集，并通过基于无线传感网络进行数据传输，协调器节点接受到终端节点发送的数据后，将数据通过串口发送到上位机，在上位机上实现数据的自动保存、车内温湿度和各种气体浓度动态曲线显示、监控以及报警等功能。同时，在传感器节点进行数据采集时，对空气检测传感器组所采集的数据进行优化处理，使得采集数据更加精确。

需要说明的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型做出的非实质性修改，也均落入本实用新型的保护范围之内。