一种工业级无线瓦斯浓度监测系统的制作方法

本实用新型涉及一种瓦斯浓度监测系统，具体是一种能够实现无线监测的工业级瓦斯浓度监测系统，属于检测与控制技术领域。

背景技术：

矿井安全事故频发是制约采矿行业发展的一大因素，矿井安全事故通常会造成重大的经济和人员损失，这其中以瓦斯爆炸事故最为严重。对矿井瓦斯的预测与监控，能大大降低矿井安全事故的发生和人员伤亡。

现有技术中瓦斯及其他有毒气体的监测技术通常存在以下缺陷：

(1)常见的瓦斯浓度检测传感器体积较大这导致了监测系统的底层设备 (瓦斯浓度数据采集设备)整体体积较大；常见的瓦斯浓度检测传感器功耗较大，这使得瓦斯浓度数据采集设备功耗大，此外现有技术中，数据处理单元中通常设置独立的AD转换芯片，这也使得系统的功耗和成本都有所增加，综上，设备功耗增加导致了设备工作周期受到限制。

(2)瓦斯浓度数据采集设备采集得到的数据的传输过程中，无线通信技术的应用不够广泛，这给有毒气体的测量与动态监视带来很大的不方便。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是怎样提供一种设备整体体积小、功耗低，并且能够将检测数据无线传输至其他监测点和监测中心以使得监测效率得到提高的工业级无线瓦斯浓度监测系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案。

一种工业级无线瓦斯浓度监测系统，其特征在于：包括数据采集单元、数据处理单元和数据传输单元；

所述数据采集单元用于将外界环境中的瓦斯气体浓度转换为模拟电信号并进行信号放大；

数据处理单元用于对数据采集单元输出的模拟电信号转换为数字信号数据并发送给数据传输单元；

数据传输单元用于接收数据处理单元输出的数字信号数据并上传至监测中心；

所述数据采集单元主要由前端采集电路和前置放大电路构成；前端采集电路主要由瓦斯传感器构成，所述瓦斯传感器为NAP-50A型瓦斯传感器；所述前置放大电路主要由运算放大器构成；

所述瓦斯传感器的第一补偿端C1与瓦斯传感器的第一测量端D1相连接，瓦斯传感器的第一测量端D1与运算放大器的正输入端相连接；所述瓦斯传感器的第二补偿端C2与电源正极VCC相连接，所述瓦斯传感器的第二测量端 D2接地；滑动电阻器R1的一个固定端通过第二电阻R2与电源正极VCC相连接，滑动电阻器R1的另一个固定端通过第三电阻R3接地；滑动电阻器R1 的抽头端与运算放大器的负输入端相连接；

所述数据处理单元内设置有：AD转换模块、无线射频模块和微处理器，所述运算放大器的输出端与AD转换模块的模拟输入端相连接；AD转换模块的数字输出端与微处理器的输入输出口相连接，无线射频模块与微处理器相连接；

所述数据传输单元主要由无线收发模块构成，数据传输单元能够与设置在数据处理单元中的无线射频模块实现数据通信。

进一步的，所述运算放大器采用INA114芯片。

相比现有技术，本实用新型具有如下优点：

本实用新型中选用的瓦斯传感器是一种触媒接触燃烧式瓦斯传感器(型号为NAP-50A)，它是工业级瓦斯传感器，具有体积小、节能、感应灵敏度好和稳定性强的特点；此外数据处理单元内部集成有AD转换模块，这有利于降低系统功耗，因此，相比现有技术中广泛存在的采用独立AD转换芯片实现AD转换的方案，本实用新型具有监测系统的底层设备(瓦斯浓度数据采集设备)整体体积和功耗都较小的优点。

本实用新型中，数据采集单元对外界环境中的瓦斯气体浓度进行采集检测，然后将信号放大后直接送至数据处理单元；数据处理单元通过无线方式将数据发送给数据传输单元，数据传输单元将数据进行实时处理并传输至其他监测节点和监测中心，各个监测节点和监测中心之间实现了监测数据的实时共享，便于安全监测人员及时全方位的了解各个局部区域可能存在的安全隐患，因此本实用新型还具有能提高监测效率、促进安全生产的优点。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构图；

图2为数据采集单元的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，一种工业级无线瓦斯浓度监测系统包括数据采集单元、数据处理单元和数据传输单元；以下分别从系统整体组成及工作流程、各子单元具体设计与工作原理两方面对本实用新型进行详细描述。

一、系统组成及整体工作过程

数据采集单元负责对外界环境中的瓦斯气体进来采集并检测浓度，然后将浓度信号放大后直接送至数据处理单元；数据处理单元和数据传输单元负责将数据采集单元采集到的实时数据进行处理并进行传输。此外本系统还具有电源管理单元，电源管理单元负责整个系统的电源管理及低功耗模式设置。

二、各子单元具体设计与工作原理

1、数据采集单元

数据采集单元的电路原理图如图2所示，本实用新型选用的瓦斯传感器为触媒接触燃烧式瓦斯传感器NAP-50A。NAP-50A传感器是工业级瓦斯传感器，它有着体积小、节能、卓越的感应灵敏度、良好的稳定性、对于城市燃气浓度的输出信号显示为良好的直线性等诸多优点。在具体电路组成上，数据采集单元可分为前端采集电路和前置放大电路两部分。

前端采集电路中瓦斯传感器的C1-C2端支路为补偿回路，D1-D2端支路为测量回路。传感器的第1、2脚(也即是瓦斯传感器的第一补偿端C1和第二补偿端C2)为差分输出端，传感器差分输出端输出的模拟信号便携带有外界瓦斯浓度信息，传感器的差分输出端信号直接接入信号放大芯片INA114(构成前置放大电路的主要器件)的电压差分输入端。

当传感器被放置在有瓦斯气体的条件下时，测量回路D1-D2的阻值会发生变化，从而使传感器的输出端之间会产生一个差压值，该差压值就是前置放大电路所需进行放大的差分小信号。当传感器被放置在清洁大气中测量时，可以调节滑动电阻R1的阻值使输出端之间差值为0，从而对整个前端采集电路校零。

由于NAP-50A传感器输出的差模信号量比较小(在3000ppm瓦斯浓度条件下输出也只有10mV左右)，因此需要前置放大电路，本实用新型的数据采集单元设置了前置放大电路。为实现前置放大选用的放大器件INA114芯片是一种通用精密仪用放大器，INA114芯片只需一个外部电阻就可以设置1～ 10000之间的任意增益值，INA114芯片可在±2.25V的电压下工作。

2、数据处理单元

数据处理单元采用CC2430射频芯片实现，CC2430射频芯片除了具有符 IEEE802.15.4规范的2.4GHz无线射频前端，还在片内集成了微处理器， CC2430射频芯片本身还自带AD转换器，相比采用相互独立的微处理器芯片和AD转换芯片实现的数据转换与处理的方案，本实用新型采用CC2430射频芯片为主处理器降低了成本和功耗，此外CC2430射频芯片通过软件设置可以选择8～14的AD转换精度，这进一步增强了系统的灵活性。从数据采集单元的前置放大电路输出的被放大的模拟信号直接送入AD转换器转换成数字信号，然后经过软件协议栈中的物理层、MAC层、数据链路层、网络层、传输层、应用层依次加载，完成信号采集处理。(实际上，无线射频模块、微处理器和AD转换模块都是集成在数据处理单元内的)

3、数据传输单元

数据传输单元主要负责将采集及处理好的信号与其他节点通信或者上传到监测中心，交换数据信息和收发采集数据。这要求在设计过程中使传输距离及其可靠性尽可能提高，基于这些因素本实用新型设计了具有高通信质量、较远距离通信传输的无线收发模块。无线通信模块电路包含：射频电路、天线收发电路、时钟电路。数据传输单元采用现有技术即可，例如可以采用常规的CHPCONCC2430为主芯片实现，外围电路设计采用常规技术，具体结构和工作原理此处不再赘述。

4、电源管理单元

电源部分的性能直接决定着一个节点设备工作的周期，要延长电源寿命，就应该从工作芯片低功耗的选型和电池体积小与容量大综合来考虑。锂电池具有电压高、能量密度高、无“记忆效应”、放电曲线平缓等优点，本实用新型选取电池为850mA锂充电电池，并设计相应充电电路，充电电路采用常规设计，此处不再赘述。

对矿井等作业区域瓦斯的预测与监控，能大大降低矿井安全事故的发生和人员伤亡。本实用新型将无线通信技术应用到有毒气体测量中会给测量带来很大的方便，结合了无线传感器网络具有的低功耗、低成本等独特优势，可以在瓦斯灾害预测与防治等领域广泛应用，本实用新型瓦斯浓度监测系统的主要功能参数如表一所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。