专利名称：基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及危险品在途监测技术领域的预警装置，具体涉及一种基于无线传感网络的油罐车油气浓度的采集与闪爆预警装置。
背景技术：
在进行危险品运输的监管过程中，主要依靠行业宏观监管和微观技术监管。行业宏观监管主要是通过法律法规和专门的机构来管理，对化学品运营公司，制定严格的行业标准，对危险品运输企业进行严格的资格认证，对从事危险品操作的从业人员根据其工作性质进行严格的培训，并且定期进行评审，检验其是否具有从业资格；微观技术方面，依靠ITS技术对危险品运输车辆进行监管。而且，从宏观行业管理转移到微观技术管理已成为危险品运输管理行业的变化趋势，对危险品运输的在途状态监控预警是世界各国的前沿技术和研究热点。我国国内在危险品运输方面的技术管理与国外有一定的差距，尤其是在微观技术监控方面。目前，我国国内许多企业和科研机构从事危险品运输监控系统的研究，并取得了一定成果，但研究的监控指标都较单一，且大都停留在对车辆行驶状态的监测上，如车辆速度、位置等信息，而对危险品本身的状态信息不能进行有效的监控预警。
发明内容针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本实用新型的目的在于，提供一种油罐车车体周围油气浓度采集与闪爆预警装置，该装置能够采集与处理车载各传感器模块的油气浓度信息，并实现自组网无线传输，简化了车体的布线问题，提高了事务的处理速度，易于功能的扩展。为了实现上述任务，本实用新型采用如下的技术解决方案—种基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，其特征在于，包括可燃气体传感器，用来实时采集油罐车行驶过程中的油气浓度；数据采集模块，用来实时接收可燃气体传感器的油气浓度信息，并将此信息传送给无线发送模块；无线发送模块，通过SPI总线与数据采集模块连接，用于将数据通过zigbee无线网络发送到网络的接收节点；无线接收模块，用于接收zigbee无线网络各发送节点的油气浓度信息，并将此信息通过串口发送给数据处理与预警模块；数据处理与预警模块，用于接收无线接收模块传送的油气浓度信息，并对数据进行处理与判断；显示模块，用于显示各可燃气体传感器传送的油气浓度信息；语音模块，用于在油气浓度异常时发出语音报警；[0015]供电模块，包括充电电池和车载电源，用于为整个装置提供电源；可燃气体传感器模块通过A/D端口连接到数据采集模块，数据模块通过SPI接口连接到无线发送模块，无线接收模块通过RS232接口连接到数据处理与预警模块，显示与语音模块通过通用I/O连接到数据处理与预警模块；数据采集模块、无线发送模块和无线接收模块通过充电电池供电，可燃气体传感器、数据处理与预警模块、显示模块和语音模块通过车载电源供电。本实用新型的其它特点是所述可燃气体传感器为THY-FDM-LEL型可燃气体探测器。所述的数据采集模块选择ATmegaUSl芯片。所述无线发送模块和无线接收模块选择AT86RF230芯片。所述数据处理与预警模块选择工业级的ARMll处理器PXA270芯片。所述显示模块为IXD液晶显示屏。所使用zigbee无线网络为2. 4G频段。所述无线接收模块采用与AT86RF230芯片配套的ATmegal281芯片。本实用新型的基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，具有以下优点1、在车辆上使用无线传感网络进行油气浓度信息采集，简化了车体的布线问题，同时采用了 zigbee与低功耗技术与树路由算法，使各采集节点的功耗大大减少，电池的使用寿命明显延长。2、数据采集模块使用AI~megal281芯片。AI~megal281是atmel公司推出的一款高性能、低功耗的8位微控制器，它正常工作范围为-40°C到85°C，并有6种睡眠模式。3、无线发送模块采用AT86RF230芯片。AT86RF230是atmel公司推出的一款高性能的可实现zigbee协议的2. 4GHz无线收发芯片。它硬件支持IEEE802. 15. 4协议，睡眠状态的工作电流为20nA，接收时15. 5mA,发送时16. 5mA，从-17dbm到3dbm的可编程输出功率。4、可燃气体传感器模块THY-FDM-LEL型可燃气体探测器，其检测范围为0-100%LEL，分辨率为LEL，响应时间小于30秒，信号输出可达1000米，精度为士5% F. S.，工作环境温度为-30-50摄氏度，工作环境湿度为10% -95% RH。5、数据处理与预警模块采用英特尔公司推出的高性能PXA270系列嵌入式处理器，PXA270系列嵌入式处理器基于ARMv5E的Xscale核心，最高频率可达624MHz。作为一款性能极其强劲的嵌入式处理器，配合嵌入式Linux或Wince操作系统。6、深入的研究了油罐车车体易泄漏油气的位置，对传感器的安装位置进行了科学的布置。7、对无线模块的网络路由算法与调度机制进行了改进，当某个节点探测出油气浓度异常时，此节点信息的发送优先级最高，被处理的优先级最高，以提高对危险状况的反映能力。本实用新型的基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，将无线传感网络技术与嵌入式技术结合，应用到油罐车车体周围油气浓度采集与闪爆预警系统中。对油罐车油气浓度进行实时监测，并可让驾驶员随时查看各采样点处的油气浓度，在发生油气泄漏时，对驾驶员进行语音报警，以提醒其进行紧急处理。
图1为本实用新型的装置结构示意图；图2为数据采集与发送节点的工作流程图；图3为数据接收与处理节点的工作流程图。
以下结合附图和发明人给出的实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
具体实施方式
本实用新型的研究思路是，针对危险品运输中典型的油罐车的车体周围油气浓度进行实时测量，并利用zigbee无线传感网络将油罐车上各采集节点的油气浓度信息发送到传感网络的根节点(即接收节点)，然后通过RS232接口与车载控制终端(即ARMl 1处理器)连接，并在车载控制终端上进行油气浓度信息显示，进行油气浓度的预警。如图1所示，本实施例给出一种基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，包括安装在车体周围至少一个可燃气体传感器，用来实时采集车辆行驶过程中的油气浓度，采用的是THY-FDM-LEL型可燃气体探测器。数据采集模块，用来实时接收可燃气体传感器的油气浓度信息，采用的是ATmegal281低功耗芯片。可燃气体传感器的输出连接到ATmegal^l的A/D端口。无线发送模块，通过SPI总线与数据采集模块连接，将数据通过zigbee无线网络发送到网络的接收节点，该无线发送模块采用的是AT86RF230低功耗芯片，zigbee无线网络为2. 4G频段。无线接收模块，采用的芯片是与AT86RF230芯片配套的ATmegaUSl芯片，它们之间使用SPI总线相连。用于接收zigbee无线网络各发送节点的油气浓度信息，并将此信息通过ATmegal281芯片的串口发送给数据处理与预警模块。数据处理与预警模块，采用的是英特尔公司推出的高性能工业级的ARMll的PXA270系列嵌入式处理器，用于接收无线模块传送的油气浓度信息，并对数据进行处理与判断。显示模块，采用LCD液晶显示屏，用于显示车体各可燃气体传感器传送的油气浓
度{曰息。语音模块，若油气浓度异常，对司机进行语音报警。供电模块，包括充电电池和车载电源，为整个装置提供电源，其中各可燃气体传感器的供电与数据处理模块(ARM)的供电不同。其中，数据采集模块、无线发送模块和无线接收模块使用3. 7V的充电电池供电，减少了车体电源线的布置，而可燃气体传感器、数据处理与预警模块、显示模块和语音模块采用车载电源供电，因为这些模块的耗电量较大。各可燃气体传感器、数据采集模块和无线发送模块安装在车辆的油气易泄漏点，而无线接收模块、数据处理模块(ARM)、显示模块与语音报警模块集成安装在油罐车的驾驶室里，当接收到各采集点的油气浓度信息时，汇集到驾驶室，以利于驾驶员观察各点油气浓度信息，并在危险时对其进行报警。[0049]参见图2，在实际使用过程中，数据采集与发送节点的工作流程如下0 车辆开始行驶时，车载电源供电，充电电池也开始供电，车辆安装的各可燃气体探测器处于工作状态，数据采集与无线发送模块也处于工作状态。可燃气体探测器的工作电压是MV，其输出信号为电流信号，即油气浓度越大，其输出电流越大，其输出电流的计算公式为A = 4+O0-4)*(Cx/Cf)mA。其中A表示当前检测气体所对应的理论电流值，Cx为当前气体浓度，Cf为满量程气体浓度，4表示4mA(4mA =检测浓度的0% LEL)，20表示20mA QOmA =检测浓度的满量程值100% LEL)。在可燃气体探测器的输出端外接一固定的电阻，将电流信号转化为电压信号，将此电压信号输入数据采集模块的A/D端口。数据采集模块对此电压信号进行A/D转换，并根据之前的标定值，对A/D转换的数值进行转化，以使其与真实的物理量相对应。然后通过SPI接口，将传感器数值发送给数据发送模块。数据发送模块接收到此数据后，要对其进行数据帧格式填充，以使其发送的数据帧满足IEEE802. 15. 4标准。信息填充的格式为nx—uint8t—header[sizeof(message—header_t)]；nx_uint8t_data[TOSH—DATA—LENGTH]；nx_uint8t_footer[sizeof(message_footer_t)]；nx—uint8t—metadata[sizeof(message—metadata—t)]；在数据打包完后，将此数据包通过树路由算法发送到zigbee无线网络接收节点。每次发送时，采用的基本MAC协议为CSMA/CA协议，CSMA/CA协议使用载波监听、随机回退和具有DATA/ACK形式的数据包传输方式。当发送一侧没有接到ACK数据包，就认为是发生了数据冲突并再次进行传输。参见图3，在实际使用过程中，zigbee无线网络接收节点的工作流程如下在整个模块供电之后，zigbee无线网络接收节点正常接收无线发送模块传来的可燃气体传感器帧数据，若数据没有发生冲突，则向zigbee无线网络的发送节点回发一个ACK数据包，告诉发送节点已成功接收数据，可发下一个可燃气体传感器帧数据。若检测发生冲突，则不回发ACK数据包，则发送节点自动重传数据。在接收到正确的数据后，将无线发射使用的数据帧格式转变成串口帧格式，以利于串口的发送。将帧格式转换后的数据帧通过RS232接口发送给数据处理模块(即ARM)。数据处理与预警模块(ARM)对传来的串口帧格式数据进行解析，从中提取出油气浓度信息，根据提前设定的危险界定指标进行判断，若超出安全油气浓度范围，则对司机进行语音报警，并将油气浓度在IXD显示屏上进行显示。若未超出，则只进行显示，利于驾驶员查看车体周围油气浓度。本实用新型的基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，安装方便，实时性与准确度高，车体布线简单，采集与无线模块功耗小，持续工作时间大于15天，非常适合油罐车车体周围的油气浓度监控。
权利要求1.一种基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，其特征在于，包括安装在车体周围至少一个可燃气体传感器，用来实时采集油罐车行驶过程中的油气浓度；数据采集模块，用来实时接收可燃气体传感器的油气浓度信息，并将此信息传送给无线发送模块；无线发送模块，通过SPI总线与数据采集模块连接，用于将数据通过zigbee无线网络发送到网络的接收节点；无线接收模块，用于接收zigbee无线网络各发送节点的油气浓度信息，并将此信息通过串口发送给数据处理与预警模块；数据处理与预警模块，用于接收无线接收模块传送的油气浓度信息，并对数据进行处理与判断；显示模块，用于显示各可燃气体传感器传送的油气浓度信息；语音模块，用于在油气浓度异常时发出语音报警；供电模块，包括充电电池和车载电源，用于为整个装置提供电源；可燃气体传感器模块通过A/D端口连接到数据采集模块，数据模块通过SPI接口连接到无线发送模块，无线接收模块通过RS232接口连接到数据处理与预警模块，显示与语音模块通过通用I/O连接到数据处理与预警模块；数据采集模块、无线发送模块和无线接收模块通过充电电池供电，可燃气体传感器、数据处理与预警模块、显示模块和语音模块通过车载电源供电。
2.如权利要求1所述的基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，其特征在于，所述可燃气体传感器为THY-FDM-LEL型可燃气体探测器。
3.如权利要求1所述的基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，其特征在于，所述的数据采集模块选择ATmegal281芯片。
4.如权利要求1所述的基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，其特征在于，所述无线发送模块选择AT86RF230芯片。
5.如权利要求1所述的基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，其特征在于，所述数据处理与预警模块选择工业级的ARMll处理器PXA270芯片。
6.如权利要求1所述的基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，其特征在于，所述显示模块为IXD液晶显示屏。
7.如权利要求1所述的基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，其特征在于，所述zigbee无线网络为2. 4G频段。
8.如权利要求1所述的基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，其特征在于，所述无线接收模块采用与AT86RF230芯片配套的ATmegal281芯片。
专利摘要本实用新型公开了一种基于无线传感网络的油罐车油气浓度采集与闪爆预警装置，包括可燃气体传感器、数据采集模块、无线发送模块、无线接收模块、数据处理与预警模块、显示模块、语音模块和供电模块，将无线传感网络技术与嵌入式技术结合，能够实时监测车体周围的油气浓度，并通过Zigbee无线网络将数据传送到驾驶室内，以进行油气浓度异常的预警。具有易安装、布线简单、功耗低、处理速度快和环境适应能力强等优点。
文档编号G08C17/02GK202167132SQ20112030237
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月19日 优先权日2011年8月19日
发明者余腾, 史昕, 张建阳, 惠飞, 王松, 王润民, 赵祥模 申请人:长安大学