基于LoRa的下水道沼气实时检测与净化嵌入式物联网装置的制作方法

本发明涉及基于lora的下水道沼气实时检测与净化嵌入式物联网装置，属于智慧城市领域。

背景技术：

在城市中，像下水道这种相对密闭的空间常常会因为厌氧环境而产生大量沼气。而在沼气成分中，50％-80％为极易燃的甲烷、硫化氢等成分。当空气中含有大约8％-20％的沼气时，就会形成爆炸性的混合气体。而下水道由于无人检测监管，常常会造成沼气囤积从而埋下爆炸的隐患。特别是在春节这种节日，人们燃放烟花爆竹不小心落入沼气浓度过高的下水道中就可能引起爆炸从而威胁人们的人身安全。那么，如何在下水道沼气浓度过高时有效地降低沼气浓度，并自动报警以减少险情，成为在城市安全建设中迫切需要解决的一个问题。

本发明基于云南省技术创新人才项目(2019hb113)和国家自然科学基金项目(61562051)的研究工作，将lora通信技术与实时监测技术结合，提出一种保证下水道安全的检测净化方式。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：本发明提供基于lora的下水道沼气实时检测与净化嵌入式物联网装置，主要是解决在城市下水道等相对密闭的环境中产生沼气而无从检测监控从而造成下水道沼气浓度过大而埋下沼气爆炸的隐患的问题。

本发明采用的技术方案是：基于lora的下水道沼气实时检测与净化嵌入式物联网装置，包括位于上方的净化箱体1和位于下方的控制箱体2，所述净化箱体1内设置有抽气扇4、滤网5和沼气吸收装置6三部分，其中，抽气扇4嵌入于净化箱体1一侧并接12v蓄电池10供电，净化箱体1另一侧设置有沼气吸收装置6，沼气吸收装置6与抽气扇4相对的两侧面上设置有滤网5用于沼气的进入和输出；

所述控制箱体2内设置有综合控制电路板9和12v蓄电池10，甲烷气敏传感器7和硫化氢气敏传感器8嵌入于控制箱体2的一侧，其中综合控制电路板9上集成有stm8单片机模块11、降压稳压模块12、lora通信模块13、气敏传感模块14和抽气扇继电器模块15；其中，stm8单片机模块11和lora通信模块13通过串口方式连接，进行数据的交换和传输，stm8单片机模块11通过气敏传感模块14分别与甲烷气敏传感器7和硫化氢气敏传感器8连接，降压稳压模块12连接12v蓄电池10，将引出的3.3v电源为其他各模块供电，抽气扇继电器模块15分别与stm8单片机模块11和抽气扇4相连，使stm8单片机模块11控制抽气扇4转动。

进一步的，所述净化箱体1上开设有固定孔3，用于将装置固定在下水道墙壁上。所述沼气吸收装置6内置活性炭颗粒和氧化铁颗粒，用于过滤并吸附沼气中易引起爆炸的甲烷和硫化氢气体。

所述stm8单片机模块11包括stm8s003f3单片机u1、跳线端子j1、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电阻r1、电阻r2、晶振y1和开关s1；其中，电阻r1的一端接3.3v电源正极，电阻r1的另一端同时接stm8s003f3单片机u1的4号引脚和跳线端子j1的2号端口，开关s1的一端和电容c1的一端都接地，开关s1的另一端和电容c1的另一端都同时接stm8s003f3单片机u1的4号引脚和跳线端子j1的2号端口；电容c2的一端和电容c3的一端分别与晶振y1的两端相连，再分别接stm8s003f3单片机u1的5号引脚和stm8s003f3单片机u1的6号引脚，电容c2的另一端和电容c3的另一端都接地；stm8s003f3单片机u1的7号引脚同时接3.3v电源正极和电容c4的一端，stm8s003f3单片机u1的8号引脚接电容c5的一端，stm8s003f3单片机u1的9号引脚分别与电容c4的另一端和电容c5的另一端相连再接地；stm8s003f3单片机u1的18号引脚接跳线端子j1的3号端口，跳线端子j1的1号端口接3.3v电源正极，跳线端子j1的4号端口接地。

所述降压稳压模块12包括asm1117稳压芯片u5、极性电容c11、电容c12、极性电容c13和电容c14，12v电源正极以并联的方式接asm1117稳压芯片u4的引脚3、极性电容c11的正极和电容c12的一端；3.3v电源正极以并联的方式接asm1117稳压芯片u4的引脚2、极性电容c13的正极和电容c14的一端；3.3v电源负极同时接极性电容c11的负极端、c13的负极端、电容c12的另一端、c14的另一端和asm1117稳压芯片u5的引脚1。

所述lora通信模块13包括zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2、电感l1、电容c6、电容c7、电容c8和lora天线接口j2；其中，zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的1号引脚、2号引脚、3号引脚、4号引脚、11号引脚、19号引脚、20号引脚和22号引脚同时接地；zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的14号引脚接stm8s003f3单片机u1的15号引脚，zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的15号引脚接stm8s003f3单片机u1的17号引脚，zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的16号引脚接stm8s003f3单片机u1的16号引脚，zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的17号引脚接stm8s003f3单片机u1的10号引脚，zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的18号引脚接stm8s003f3单片机u1的14号引脚，电容c8的一端分别接zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的13号引脚和电感l1的一端；电容c8的另一端接zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的12号引脚再接地，电感l1的另一端接3.3v电源正极；zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的21号引脚接电容c7的一端，电容c7的另一端同时接电容c6的一端和lora天线接口j1的一号端口，电容c6的另一端和lora天线接口j1的2号端口接地。

所述气敏传感模块14包括甲烷气敏传感器电路和硫化氢气敏传感器电路；所述甲烷气敏传感器电路包括lm393比较器u3、插头p1、发光二极管d1、电阻r2、电阻r3、电阻r4和滑动变阻器r5；所述甲烷气敏传感器7采用qm-n10气敏传感器，qm-n10气敏传感器的1号管脚、2号管脚、3号管脚同时接3.3v电源正极，qm-n10气敏传感器的5号管脚串联电阻r2并接地，qm-n10气敏传感器的4号管脚、6号管脚同时接电阻r3的一端，电阻r3的另一端接地，qm-n10气敏传感器的4号管脚和6号管脚都同时接lm393比较器u3的2号引脚和插头p1的3号引脚；lm393比较器u3的1号引脚同时接电容c9的一端和发光二极管d1的负极，电容c9的另一端接插头p1的2号引脚并接地，发光二极管d1的正极串联电阻r4的一端，电阻r4的另一端接lm393比较器u3的8号引脚并接3.3v电源正极；lm393比较器u3的3号引脚接滑动变阻器r5的拨片；滑动变阻器r5的一端接3.3v电源正极，另一端接地；lm393比较器u3的4号引脚接地；插头p1的3号引脚接stm8s003f3单片机u1的2号引脚；插头p1的2号引脚接stm8s003f3单片机u1的1号引脚；

所述硫化氢气敏传感器电路包括lm393比较器u4、插头p2、发光二极管d2、电阻r6、电阻r7、电阻r8和滑动变阻器r9；所述硫化氢气敏传感器8采用mq136气敏传感器，mq136气敏传感器的1号管脚、2号管脚、3号管脚同时接3.3v电源正极，mq136气敏传感器的5号管脚串联电阻r6并接地，mq136气敏传感器的4号管脚、6号管脚同时接电阻r7的一端，电阻r7的另一端接地，mq136气敏传感器的4号管脚、6号管脚都同时接lm393比较器u4的2号引脚和插头p2的3号引脚；lm393比较器u4的1号引脚同时接电容c10的一端和发光二极管d2的负极，电容c10的另一端接插头p2的2号引脚并接地，发光二极管d2的正极串联电阻r8的一端，电阻r8的另一端接lm393比较器u4的8号引脚并接3.3v电源正极；lm393比较器u4的3号引脚接滑动变阻器r9的拨片；滑动变阻器r9的一端接3.3v电源正极，另一端接地；lm393比较器u4的4号引脚接地；插头p2的3引脚接stm8s003f3单片机u1的2号引脚；插头p2的2号引脚接stm8s003f3单片机u1的1号引脚。

所述抽气扇继电器模块15包括继电器k1，二极管d3、三极管q1、电阻r10、电阻r11和光电耦合器u6，其中，光电耦合器u6的1号引脚、3号引脚接3.3v直流电源，2号引脚接stm8s003f3单片机u1的13号引脚，4号引脚同时接电阻r10和电阻r11的一端，电阻r10的另一端接地，电阻r11的另一端接三极管q1的基级，三极管q1的发射级接地，三极管q1的集电极接继电器k1的2号引脚以及二极管d3的正极；继电器k1的1号引脚接3.3v直流电源，同时接二极管d3的负极；继电器k1的3号引脚接抽气扇4，抽气扇抽气扇4的另一端接地；继电器k1的4号引脚接12v直流电源。

所述lora通信模块13将接收到的数据转换后上传至lora基站16，并由lora基站16通过gprs通信方式将信息上传至云端服务器17，云端服务器17将数据传送到消防分局终端18。

本发明的工作原理是：本发明利用气敏传感模块对下水道气体进行实时监控，将气体中的沼气浓度检测值反馈给stm8单片机模块与设定的阈值进行比较从而确定是否需要对气体进行净化，当沼气浓度高于设定阈值时，由stm8单片机模块输出高电压经过继电器模块控制抽气扇转动进而带动下水道气体进入净化箱体内部，并通过净化箱体内部沼气吸收装置的活性炭和氧化铁颗粒对沼气进行过滤吸附，从而降低沼气浓度，同时通过lora通信模块将沼气浓度超标地点的位置信息以及相关数据上传并发送至消防部门终端设备实现报警，以便及时采取相应措施处理险情。

本发明的有益效果是：该装置置于下水道中，可以实时监测该装置周围沼气浓度，实现当下水道沼气浓度过大时自动吸收过滤以降低沼气浓度并自动远程险情报警的功能。该发明能够保证当下水道沼气浓度过高时，使用抽气扇带动下水道气体进入净化箱体进行吸收过滤，降低下水道沼气爆炸的隐患。该发明还可以在沼气浓度过高时，及时对消防分局等相关部门进行报警，便于就近的消防人员对于囤积了沼气的下水道进行一些应急的处理。该发明能够提高城市安全系数、简单实用、且价格低廉、方便改装和应用。

附图说明

图1是本发明的外观结构图；

图2是本发明的系统电路结构图；

图3是本发明的stm32单片机模块的电路图；

图4是本发明的lora通信模块的电路图；

图5是本发明的降压稳压模块的电路图；

图6是本发明的甲烷气敏传感器电路图；

图7是本发明的硫化氢气敏传感器电路图；

图8是本发明的抽气扇继电器模块电路图。

图1-8中各标号：1-净化箱体、2-控制箱体、3-固定孔、4-抽气扇、5-滤网、6-沼气吸收装置、7-甲烷气敏传感器、8-硫化氢气敏传感器、9-综合控制电路板、10-12v蓄电池、11-stm8单片机模块，12-降压稳压模块、13-lora通信模块、14-气敏传感模块、15-抽气扇继电器模块、16-lora基站、17-云端服务器、18-消防分局终端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-2所示，基于lora的下水道沼气实时检测与净化嵌入式物联网装置，包括位于上方的净化箱体1和位于下方的控制箱体2，所述净化箱体1内设置有抽气扇4、滤网5和沼气吸收装置6三部分，其中，抽气扇4嵌入于净化箱体1一侧并接12v蓄电池10供电，净化箱体1另一侧设置有沼气吸收装置6，沼气吸收装置6与抽气扇4相对的两侧面上设置有滤网5用于沼气的进入和输出；

所述控制箱体2内设置有综合控制电路板9和12v蓄电池10，甲烷气敏传感器7和硫化氢气敏传感器8嵌入于控制箱体2的一侧，其中综合控制电路板9上集成有stm8单片机模块11、降压稳压模块12、lora通信模块13、气敏传感模块14和抽气扇继电器模块15；其中，stm8单片机模块11和lora通信模块13通过串口方式连接，进行数据的交换和传输，stm8单片机模块11通过气敏传感模块14分别与甲烷气敏传感器7和硫化氢气敏传感器8连接，降压稳压模块12连接12v蓄电池10，将引出的3.3v电源为其他各模块供电，抽气扇继电器模块15分别与stm8单片机模块11和抽气扇4相连，使stm8单片机模块11控制抽气扇4转动。

其中净化箱体1上开设有固定孔3，用于将装置固定在下水道墙壁上。所述沼气吸收装置6内置活性炭颗粒和氧化铁颗粒，用于过滤并吸附沼气中易引起爆炸的甲烷和硫化氢气体。

甲烷气敏传感器7和硫化氢气敏传感器8对下水道中的沼气浓度进行实时检测，通过气敏传感模块14将结果传输至stm8单片机模块11，stm8单片机模块11将结果与设定的阈值进行对比，当下水道沼气浓度过大即甲烷和硫化氢至少有一者的浓度超过阈值，则stm8单片机模块11通过抽气扇继电器模块15将抽气扇4开启带动下水道内部气体进入净化箱体1，通过滤网5进入沼气吸收装置6并通过内部的活性炭以及氧化铁颗粒过滤吸附掉沼气中易引起爆炸的甲烷和硫化氢等气体，再通过另一侧滤网5将净化后的气体排出至下水道中，以达到降低沼气浓度的目的，同时lora通信模块13将接收到的数据转换后上传至lora基站16，并由lora基站16通过gprs通信方式将信息上传至云端服务器17，云端服务器17将数据传送到消防分局终端18，消防部门可以及时采取相应措施例如派出相关人员赶赴现场处理，与沼气吸收装置6对沼气进行吸附形成双重保险，此外沼气吸收装置6中的活性炭以及氧化铁颗粒采用人工定期更换，我们可根据接收到的数据来调整更换的间隔时间，当某一时期经常出现沼气浓度过大的情况时，可以提高更换的频率以更好的对沼气进行净化。

实施例2：本实施例中对各模块的电路结构进行详细说明。

如图3所示，所述stm8单片机模块11包括stm8s003f3单片机u1、跳线端子j1、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电阻r1、电阻r2、晶振y1和开关s1；其中，电阻r1的一端接3.3v电源正极，电阻r1的另一端同时接stm8s003f3单片机u1的4号引脚和跳线端子j1的2号端口，开关s1的一端和电容c1的一端都接地，开关s1的另一端和电容c1的另一端都同时接stm8s003f3单片机u1的4号引脚和跳线端子j1的2号端口；电容c2的一端和电容c3的一端分别与晶振y1的两端相连，再分别接stm8s003f3单片机u1的5号引脚和stm8s003f3单片机u1的6号引脚，电容c2的另一端和电容c3的另一端都接地；stm8s003f3单片机u1的7号引脚同时接3.3v电源正极和电容c4的一端，stm8s003f3单片机u1的8号引脚接电容c5的一端，stm8s003f3单片机u1的9号引脚分别与电容c4的另一端和电容c5的另一端相连再接地；stm8s003f3单片机u1的18号引脚接跳线端子j1的3号端口，跳线端子j1的1号端口接3.3v电源正极，跳线端子j1的4号端口接地。

如图4所示，所述降压稳压模块12包括asm1117稳压芯片u5、极性电容c11、电容c12、极性电容c13和电容c14，12v电源正极以并联的方式接asm1117稳压芯片u4的引脚3、极性电容c11的正极和电容c12的一端；3.3v电源正极以并联的方式接asm1117稳压芯片u4的引脚2、极性电容c13的正极和电容c14的一端；3.3v电源负极同时接极性电容c11的负极端、c13的负极端、电容c12的另一端、c14的另一端和asm1117稳压芯片u5的引脚1。

如图5所示，所述lora通信模块13包括zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2、电感l1、电容c6、电容c7、电容c8和lora天线接口j2；其中，zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的1号引脚、2号引脚、3号引脚、4号引脚、11号引脚、19号引脚、20号引脚和22号引脚同时接地；zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的14号引脚接stm8s003f3单片机u1的15号引脚，zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的15号引脚接stm8s003f3单片机u1的17号引脚，zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的16号引脚接stm8s003f3单片机u1的16号引脚，zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的17号引脚接stm8s003f3单片机u1的10号引脚，zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的18号引脚接stm8s003f3单片机u1的14号引脚，电容c8的一端分别接zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的13号引脚和电感l1的一端；电容c8的另一端接zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的12号引脚再接地，电感l1的另一端接3.3v电源正极；zm433sx-m无线扩频lora通信模块u2的21号引脚接电容c7的一端，电容c7的另一端同时接电容c6的一端和lora天线接口j1的一号端口，电容c6的另一端和lora天线接口j1的2号端口接地。

如图6所示，所述气敏传感模块14包括甲烷气敏传感器电路和硫化氢气敏传感器电路；所述甲烷气敏传感器电路包括lm393比较器u3、插头p1、发光二极管d1、电阻r2、电阻r3、电阻r4和滑动变阻器r5；所述甲烷气敏传感器7采用qm-n10气敏传感器，qm-n10气敏传感器的1号管脚、2号管脚、3号管脚同时接3.3v电源正极，qm-n10气敏传感器的5号管脚串联电阻r2并接地，qm-n10气敏传感器的4号管脚、6号管脚同时接电阻r3的一端，电阻r3的另一端接地，qm-n10气敏传感器的4号管脚和6号管脚都同时接lm393比较器u3的2号引脚和插头p1的3号引脚；lm393比较器u3的1号引脚同时接电容c9的一端和发光二极管d1的负极，电容c9的另一端接插头p1的2号引脚并接地，发光二极管d1的正极串联电阻r4的一端，电阻r4的另一端接lm393比较器u3的8号引脚并接3.3v电源正极；lm393比较器u3的3号引脚接滑动变阻器r5的拨片；滑动变阻器r5的一端接3.3v电源正极，另一端接地；lm393比较器u3的4号引脚接地；插头p1的3号引脚接stm8s003f3单片机u1的2号引脚；插头p1的2号引脚接stm8s003f3单片机u1的1号引脚；

如图7所示，所述硫化氢气敏传感器电路包括lm393比较器u4、插头p2、发光二极管d2、电阻r6、电阻r7、电阻r8和滑动变阻器r9；所述硫化氢气敏传感器8采用mq136气敏传感器，mq136气敏传感器的1号管脚、2号管脚、3号管脚同时接3.3v电源正极，mq136气敏传感器的5号管脚串联电阻r6并接地，mq136气敏传感器的4号管脚、6号管脚同时接电阻r7的一端，电阻r7的另一端接地，mq136气敏传感器的4号管脚、6号管脚都同时接lm393比较器u4的2号引脚和插头p2的3号引脚；lm393比较器u4的1号引脚同时接电容c10的一端和发光二极管d2的负极，电容c10的另一端接插头p2的2号引脚并接地，发光二极管d2的正极串联电阻r8的一端，电阻r8的另一端接lm393比较器u4的8号引脚并接3.3v电源正极；lm393比较器u4的3号引脚接滑动变阻器r9的拨片；滑动变阻器r9的一端接3.3v电源正极，另一端接地；lm393比较器u4的4号引脚接地；插头p2的3引脚接stm8s003f3单片机u1的2号引脚；插头p2的2号引脚接stm8s003f3单片机u1的1号引脚。

如图8所示，所述抽气扇继电器模块15包括继电器k1，二极管d3、三极管q1、电阻r10、电阻r11和光电耦合器u6，其中，光电耦合器u6的1号引脚、3号引脚接3.3v直流电源，2号引脚接stm8s003f3单片机u1的13号引脚，4号引脚同时接电阻r10和电阻r11的一端，电阻r10的另一端接地，电阻r11的另一端接三极管q1的基级，三极管q1的发射级接地，三极管q1的集电极接继电器k1的2号引脚以及二极管d3的正极；继电器k1的1号引脚接3.3v直流电源，同时接二极管d3的负极；继电器k1的3号引脚接抽气扇4，抽气扇抽气扇4的另一端接地，在电路图中，抽气扇4为图中标号m所示；继电器k1的4号引脚接12v直流电源。

在实际使用的过程中，当甲烷气敏传感器7和硫化氢气敏传感器8中的的任一者或者两者的检测值大于所设定的气体浓度值即检测到下水道内部沼气浓度过高有引起爆炸的风险时，数据以模拟电压值的形式从气敏传感模块14传入到stm8单片机模块11，stm8单片机模块11输出高电平到抽气扇继电器模块15，电流流经抽气扇继电器内部光电耦合器u6用以保护电路防止后级电路中的抽气扇4的高电压干扰破坏弱电stm8单片机模块11电路的稳定性，抽气扇继电器模块15内部继电器k1内线圈两端施加3.3v电压从而使得线圈中流过一定的电流从而产生电磁效应带动衔铁的动触点与静触点吸合形成闭合回路，达到3.3v弱电压控制12v强电压控制抽气扇4转动并带动周围气体进入净化箱体内部，并通过净化箱体内部的沼气吸收装置6的活性炭颗粒和氧化铁颗粒对气体进行吸附过滤，从而达到降低沼气浓度的功能，同时lora通信模块13将采集到的相关数据发送到附近的lora基站16，由lora基站16将数据上传至云端服务器17，再由云端服务器17发送数据到消防分局终端18，从而实现下水道沼气险情报警。同理当甲烷气敏传感器7和硫化氢气敏传感器8的检测值均小于所设定的甲烷和硫化氢浓度值即检测到下水道内部沼气浓度低于标准值时，数据以模拟电压值的形式从气敏传感模块14传入到stm8单片机模块11，stm8单片机模块11输出0v低电平使抽气扇继电器模块15内部的继电器k1线圈断电导致电磁吸力消失，衔铁通过弹簧的反作用力回到原来的位置使动触点与静触点释放从而控制抽气扇4停止转动，由此实现了对下水道沼气浓度的实时检测与净化。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。