一种基于ZigBee的地下管廊内可燃气体检测装置的制作方法

一种基于zigbee的地下管廊内可燃气体检测装置
技术领域
1.本实用新型属于气体检测技术领域，尤其涉及一种基于zigbee的地下管廊内可燃气体检测装置。


背景技术：

2.地下管廊是地下城市管道综合走廊，在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通信，燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，实施统一规划和管理，是保障城市运行的重要基础设施。隧道中存在的有毒有害气体一直是施工中的主要危险源，如果施工不当极易发生重大安全事故。而隧道中有毒有害气体主要有甲烷、一氧化碳、硫化氢、氮气和数量不等的重烃以及微量的稀有气体等。根据化学性质我们将这些有毒有害气体分为可燃气体与有毒气体两大类。隧道中的可燃性气体主要成分为甲烷(ch4)和一些挥发性有机化合物(voc)，主要危害是气体易燃烧引起爆炸，从而对财产以及人的生命造成不可挽回的损失。因此，施工前或施工中及时、准确地进行有毒有害气体检测，是减少事故发生的重要保障。现有的有毒有害气体检测装置是将检测到的信号通过光缆等路径进行信号传输，铺设线路较为复杂；后期管廊拓展等变化容易对原有预埋管线产生干扰。


技术实现要素：

3.本实用新型针对现有技术中的不足，提供一种基于zigbee的地下管廊内可燃气体检测装置。
4.本实用新型提供一种基于zigbee的地下管廊内可燃气体检测装置，包括上位机、gprs模块、zigbee协调器模块、多个zigbee路由节点模块、多个可燃气体检测模块和电源模块；
5.所述上位机信号连接所述gprs模块，用于显示每个所述可燃气体检测模块检测的可燃气体的浓度值；所述gprs模块电连接所述zigbee协调器模块；所述zigbee协调器模块信号连接所有所述zigbee路由节点模块；一个所述zigbee路由节点模块信号连接一个所述可燃气体检测模块；所有所述可燃气体检测模块均匀设置于地下管廊内，分别用于检测地下管廊内对应区域的可燃气体浓度；所述电源模块用于为所述gprs模块、zigbee协调器模块、多个zigbee路由节点模块和多个可燃气体检测模块提供电源。
6.进一步地，所述可燃气体检测模块包括处理器单元以及与所述处理器单元电连接的zigbee终端节点单元、报警单元、排气扇单元、第一可燃气体检测单元和第二可燃气体检测单元；所述处理器单元用于获取所述第一可燃气体检测单元和第二可燃气体检测单元采集的可燃气体浓度，并通过所述zigbee终端节点单元将可燃气体浓度值发送至所述zigbee路由节点模块；所述处理器单元用于在采集的可燃气体浓度超过预设浓度阈值的情况下，控制所述报警单元发出警报以及控制所述排气扇单元启动以吹散可燃气体。
7.进一步地，所述报警单元包括第一发光二极管和蜂鸣器。
8.进一步地，所述电源模块包括第一电感；所述第一电感的一端接入市电，另一端电
连接有第一电容的一端、第一二极管的阴极和第二二极管的阳极；所述第一电容远离所述第一电感的一端接入市电；所述第二二极管的阴极电连接有第二电感的一端和第三二极管的阴极；所述第一二极管的阳极电连接第四二极管的阳极；所述第三二极管的阳极和第四二极管的阴极均电连接所述第一电容远离所述第一电感的一端；所述第二电感远离所述第二二极管的一端电连接有第二电容的一端和变压器原边的一端；所述变压器原边远离所述第二电感的一端电连接有第一pnp三极管的集电极；所述第一pnp三极管的发射极电连接所述第二电容远离所述第二电感的一端和第一二极管的阳极；所述第二电容远离所述第二电感的一端、第一二极管的阳极和第四二极管的阳极均接地；所述变压器第一副边的一端电连接有第五二极管的阳极；所述第五二极管的阴极电连接有第三电容的一端、第一电阻的一端和电压输出端正极；所述第一电阻远离所述第五二极管的一端电连接有第二电阻的一端和控制回路的输入端；所述第二电阻远离所述第一电阻的一端电连接所述变压器第一副边远离所述第五二极管的一端、第三电容远离所述第五二极管的一端和电压输出端负极；所述第二电阻远离所述第一电阻的一端、变压器第一副边远离所述第五二极管的一端、第三电容远离所述第五二极管的一端均接地；所述控制回路的输出端电连接所述第一pnp三极管的基极；所述变压器第一副边远离所述第五二极管的一端电连接有所述变压器第二副边的一端；所述变压器第二副边远离所述变压器第一副边的一端电连接有第四电容的一端和第六二极管的阳极；所述第四电容远离所述变压器第二副边的一端电连接有第三电阻的一端；所述第三电阻远离所述第四电容的一端电连接所述第六二极管的阴极、第五电容的一端和5v电压输出端；所述第五电容远离所述第六二极管的一端接地。
9.进一步地，所述第一可燃气体检测单元包括mq-4气体传感器；所述mq-4气体传感器的1管脚、2管脚和3管脚均接入5v电压，5管脚电连接有第四电阻的一端，4管脚和6管脚均电连接有第五电阻的一端和第一比较器的反相输入端；所述第四电阻远离所述mq-4气体传感器的一端接地；所述第五电阻远离所述mq-4气体传感器的一端接地；所述第一比较器的同相输入端电连接有电位器的电压输出端；所述电位器的电源正脚接入5v电压，电源负脚接地；所述第一比较器的正电源接入5v电压，负电源接地，输出端电连接有第二发光二极管的阴极、第六电容的一端和处理器单元的信号输入端；所述第二发光二极管的阳极电连接有第六电阻的一端；所述第六电阻远离所述第二发光二极管的一端接入5v电压；所述第六电容远离所述第二发光二极管的一端接地。
10.进一步地，所述第二可燃气体检测单元包括第七电阻；所述第七电阻的一端接入5v电压，另一端电连接有第二比较器的反相输入端和第八电阻的一端；所述第八电阻远离所述第七电阻的一端接地；所述第二比较器的的正电源接入5v电压，负电源接地，输出端电连接有第九电阻的一端，同相输入端电连接有第十电阻的一端和第十一电阻的一端；所述第九电阻远离所述第二比较器的一端电连接有第二pnp三极管的基极；所述第十电阻远离所述第二比较器的一端电连接有第七电容的一端和第十二电阻的一端；所述第十一电阻远离所述第二比较器的一端接地；所述第七电容远离所述第十电阻的一端接地；所述第二pnp三极管的发射极接入5v电压，集电极电连接催化燃烧式气体传感器检测元件的一端；所述催化燃烧式气体传感器检测元件远离所述第二pnp三极管的一端电连接有所述催化燃烧式气体传感器补偿元件的一端和第十四电阻的一端；所述催化燃烧式气体传感器补偿元件远离所述催化燃烧式气体传感器检测元件的一端接地；所述第十二电阻远离所述第十电阻的
一端电连接有第十三电阻的一端、第十五电阻的一端和第三比较器的同相输入端；所述第十三电阻远离所述第十二电阻的一端接地；所述第十五电阻远离所述第十二电阻的一端接地；所述第十四电阻远离所述催化燃烧式气体传感器的一端电连接有第十六电阻的一端和第三比较器的反相输入端；所述第十六电阻远离所述第十四电阻的一端电连接所述第三比较器的输出端和处理器单元的信号输入端。
11.进一步地，所述报警单元包括第十七电阻；所述第十七电阻的一端电连接所述处理器单元的信号输出端，另一端电连接有第三pnp三极管的基极；所述第三pnp三极管的集电极接地，发射极电连接有第一发光二极管的阴极和第七二极管的阴极；所述第一发光二极管的阳极电连接有第十八电阻的一端；所述第十八电阻远离所述第一发光二极管的一端接入5v电压；所述第七二极管的阳极电连接所述蜂鸣器的负极；所述蜂鸣器的正极电连接有第十九电阻的一端；所述第十九电阻远离所述蜂鸣器的一端电连接所述第十八电阻远离所述第一发光二极管的一端。
12.进一步地，所述排气扇单元包括第二十电阻；所述第二十电阻的一端电连接所述处理器单元的信号输出端，另一端电连接有第四pnp三极管的基极；所述第四pnp三极管的集电极接地，发射极电连接有第八二极管的阳极和继电器线圈的一端；所述第八二极管的阴极电连接所述继电器线圈远离所述第四pnp三极管的一端、继电器衔铁以及5v电压；所述继电器的常开触点电连接有电机的正极；所述电机的负极电连接所述第四pnp三极管的集电极。
13.本实用新型提供一种基于zigbee的地下管廊内可燃气体检测装置，包括上位机、gprs模块、zigbee协调器模块、多个zigbee路由节点模块、多个可燃气体检测模块和电源模块；所述上位机信号连接所述gprs模块，用于显示每个所述可燃气体检测模块检测的可燃气体的浓度值；所述gprs模块电连接所述zigbee协调器模块；所述zigbee协调器模块信号连接所有所述zigbee路由节点模块；一个所述zigbee路由节点模块信号连接一个所述可燃气体检测模块；所有所述可燃气体检测模块均匀设置于地下管廊内，分别用于检测地下管廊内对应区域的可燃气体浓度；所述电源模块用于为所述gprs模块、zigbee协调器模块、多个zigbee路由节点模块和多个可燃气体检测模块提供电源。本实用新型避免了传统有毒有害气体检测装置的检测信号通过光缆等路径进行信号传输，铺设线路较为复杂；后期管廊拓展等变化容易对原有预埋管线产生干扰的问题，同时，采用mq-4气体传感器和催化燃烧式气体传感器两种气体传感器协同工作，避免因其中任意一种传感器的故障而产生误差，以减少干扰，提高系统测量准确度。
附图说明
14.为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本实用新型实施例提供的一种基于zigbee的地下管廊内可燃气体检测装置的结构示意图；
16.图2为本实用新型实施例提供的可燃气体检测模块的结构示意图；
17.图3为本实用新型实施例提供的电源模块的电路图；
18.图4为本实用新型实施例提供的第一可燃气体检测单元的电路图；
19.图5为本实用新型实施例提供的第二可燃气体检测单元的电路图；
20.图6为本实用新型实施例提供的报警单元的电路图；
21.图7为本实用新型实施例提供的排气扇单元的电路图。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
23.如图1所示，本实用新型实施例部分提供一种基于zigbee的地下管廊内可燃气体检测装置，包括上位机1、gprs模块2、zigbee协调器模块3、多个zigbee路由节点模块4、多个可燃气体检测模块5和电源模块6。
24.上位机1信号连接gprs模块2，用于显示每个可燃气体检测模块5检测的可燃气体的浓度值；gprs模块2电连接zigbee协调器模块3；zigbee协调器模块3信号连接所有zigbee路由节点模块4；一个zigbee路由节点模块4信号连接一个可燃气体检测模块5；所有可燃气体检测模块5均匀设置于地下管廊内，分别用于检测地下管廊内对应区域的可燃气体浓度；电源模块6用于为gprs模块2、zigbee协调器模块3、多个zigbee路由节点模块4和多个可燃气体检测模块5提供电源。
25.可选地，如图3所示，电源模块6包括第一电感l1；第一电感l1的一端接入市电，另一端电连接有第一电容c1的一端、第一二极管d1的阴极和第二二极管d2的阳极；第一电容c1远离第一电感l1的一端接入市电；第二二极管d2的阴极电连接有第二电感l2的一端和第三二极管d3的阴极；第一二极管d1的阳极电连接第四二极管d4的阳极；第三二极管d3的阳极和第四二极管d4的阴极均电连接第一电容c1远离第一电感l1的一端；第二电感l2远离第二二极管d2的一端电连接有第二电容c2的一端和变压器t原边w1的一端；变压器t原边w1远离第二电感l2的一端电连接有第一pnp三极管q1的集电极；第一pnp三极管q1的发射极电连接第二电容c2远离第二电感l2的一端和第一二极管d1的阳极；第二电容c2远离第二电感l2的一端、第一二极管d1的阳极和第四二极管d4的阳极均接地；变压器t第一副边w2的一端电连接有第五二极管d5的阳极；第五二极管d5的阴极电连接有第三电容c3的一端、第一电阻r1的一端和电压输出端正极；第一电阻r1远离第五二极管d5的一端电连接有第二电阻r2的一端和控制回路的输入端；第二电阻r2远离第一电阻r1的一端电连接变压器t第一副边w2远离第五二极管d5的一端、第三电容c3远离第五二极管d5的一端和电压输出端负极；第二电阻r2远离第一电阻r1的一端、变压器t第一副边w2远离第五二极管d5的一端、第三电容c3远离第五二极管d5的一端均接地；控制回路的输出端电连接第一pnp三极管q1的基极；变压器t第一副边w2远离第五二极管d5的一端电连接有变压器t第二副边w3的一端；变压器t第二副边w3远离变压器t第一副边w2的一端电连接有第四电容c4的一端和第六二极管d6的阳极；第四电容c4远离变压器t第二副边w3的一端电连接有第三电阻r3的一端；第三电阻r3远离第四电容c4的一端电连接第六二极管d6的阴极、第五电容c5的一端和5v电压输出端；第五电容c5远离第六二极管d6的一端接地。
26.电源模块6包括整流滤波电路和供电电路。整流滤波电路基于整流桥和lc滤波电路构建。该部分用于为后续电路提供直流电压。市电经过输入和输出的lc滤波电路以及中间整流桥整流后可得到输出较为稳定的直流电压vdc，该电压接入反激供电电路的输入端，用以实现dc/dc变换。
27.供电电路以反激拓扑作为主功率结构，采用基于自带过流、过压、高温保护的ld5535电源芯片的控制方案。反激供电电路的输入端连接到直流电压vdc处，输出端是用于给可燃气体检测模块5和其他部分供电的直流输出电压vo和5v。控制芯片ld5535经过闭环控制后达到恒压输出的目的，实现两路电压稳定输出。
28.如图2所示，可燃气体检测模块5包括处理器单元51以及与处理器单元51电连接的zigbee终端节点单元52、报警单元53、排气扇单元54、第一可燃气体检测单元55和第二可燃气体检测单元56；处理器单元51用于获取第一可燃气体检测单元55和第二可燃气体检测单元56采集的可燃气体浓度，并通过zigbee终端节点单元52将可燃气体浓度值发送至zigbee路由节点模块4；处理器单元51用于在采集的可燃气体浓度超过预设浓度阈值的情况下，控制报警单元53发出警报以及控制排气扇单元54启动以吹散可燃气体。可选地，报警单元53包括第一发光二极管和蜂鸣器。
29.可选地，如图4所示，处理器单元51为cc2530-f256芯片。第一可燃气体检测单元55包括mq-4气体传感器；mq-4气体传感器的1管脚、2管脚和3管脚均接入5v电压，5管脚电连接有第四电阻r4的一端，4管脚和6管脚均电连接有第五电阻r5的一端和第一比较器u2a的反相输入端；第四电阻r4远离mq-4气体传感器的一端接地；第五电阻r5远离mq-4气体传感器的一端接地；第一比较器u2a的同相输入端电连接有电位器rp的电压输出端；电位器rp的电源正脚接入5v电压，电源负脚接地；第一比较器u2a的正电源接入5v电压，负电源接地，输出端电连接有第二发光二极管led2的阴极、第六电容c6的一端和处理器单元51的信号输入端；第二发光二极管led2的阳极电连接有第六电阻r6的一端；第六电阻r6远离第二发光二极管led2的一端接入5v电压；第六电容c6远离第二发光二极管led2的一端接地。
30.mq-4气体传感器的4管脚输出随可燃气体浓度变化的直流信号，被加到第一比较器u2a的2管脚，rp构成第一比较器u2a的门槛电压。当可燃气体浓度较高,传感器输出电压高于门槛电压时，第一比较器u2a输出低电平(0v)；当可燃气体浓度降低，传感器的输出电压低于门槛电压时，第一比较器u2a翻转输出高电平(vcc)；调节rp，可以调节第一比较器u2a的门槛电压，从而调节输出的灵敏度。
31.如图5所示，第二可燃气体检测单元56包括第七电阻r7；第七电阻r7的一端接入5v电压，另一端电连接有第二比较器u1a的反相输入端和第八电阻r8的一端；第八电阻r8远离第七电阻r7的一端接地；第二比较器u1a的的正电源接入5v电压，负电源接地，输出端电连接有第九电阻r9的一端，同相输入端电连接有第十电阻r10的一端和第十一电阻r11的一端；第九电阻r9远离第二比较器u1a的一端电连接有第二pnp三极管q2的基极；第十电阻r10远离第二比较器u1a的一端电连接有第七电容c7的一端和第十二电阻r12的一端；第十一电阻r11远离第二比较器u1a的一端接地；第七电容c7远离第十电阻r10的一端接地；第二pnp三极管q2的发射极接入5v电压，集电极电连接催化燃烧式气体传感器hb1检测元件sensor的一端；催化燃烧式气体传感器hb1检测元件sensor远离第二pnp三极管q2的一端电连接有催化燃烧式气体传感器hb1补偿元件comp的一端和第十四电阻r14的一端；催化燃烧式气体
传感器hb1补偿元件comp远离催化燃烧式气体传感器hb1检测元件sensor的一端接地；第十二电阻r12远离第十电阻r10的一端电连接有第十三电阻r13的一端、第十五电阻r15的一端和第三比较器u1b的同相输入端；第十三电阻r13远离第十二电阻r12的一端接地；第十五电阻r15远离第十二电阻r12的一端接地；第十四电阻r14远离催化燃烧式气体传感器hb1的一端电连接有第十六电阻r16的一端和第三比较器u1b的反相输入端；第十六电阻r16远离第十四电阻r14的一端电连接第三比较器u1b的输出端和处理器单元51的信号输入端。
32.补偿元件comp对气体无反应，用来补偿环境因素带来的影响；检测元件sensor与气体发生反应。检测元件sensor和补偿元件comp配对，与r12和r13构成惠斯通式测量电桥，对由铂金线圈制成的检测元件sensor通以电流，检测元件可保持在450-500℃高温，当检测元件接触可燃气体之后，会发生催化燃烧反应。可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，使铂金线圈温度升高，此时，铂金线圈内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡。通过惠斯通电桥精确测量检测元件的钨丝电阻值变化就可以输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号，该电信号再通过第三比较器u1b进一步放大后输入至处理器单元51，进而测量出可燃气体的浓度。
33.如图6所示，报警单元53包括第十七电阻r17；第十七电阻r17的一端电连接处理器单元51的信号输出端，另一端电连接有第三pnp三极管q3的基极；第三pnp三极管q3的集电极接地，发射极电连接有第一发光二极管led1的阴极和第七二极管d7的阴极；第一发光二极管led1的阳极电连接有第十八电阻r18的一端；第十八电阻r18远离第一发光二极管led1的一端接入5v电压；第七二极管d7的阳极电连接蜂鸣器的负极；蜂鸣器的正极电连接有第十九电阻r19的一端；第十九电阻r19远离蜂鸣器的一端电连接第十八电阻r18远离第一发光二极管led1的一端。
34.当报警单元53接收到一个低电平信号后，低电平信号使得第三pnp三极管q3导通，继而第一发光二极管led1通电发出光线，蜂鸣器通电发出警报声音。
35.如图7所示，排气扇单元54包括第二十电阻r20；第二十电阻r20的一端电连接处理器单元51的信号输出端，另一端电连接有第四pnp三极管q4的基极；第四pnp三极管q4的集电极接地，发射极电连接有第八二极管d8的阳极和继电器线圈的一端；第八二极管d8的阴极电连接继电器线圈远离第四pnp三极管q4的一端、继电器衔铁以及5v电压；继电器的常开触点电连接有电机m的正极；电机m的负极电连接第四pnp三极管q4的集电极。
36.当排气扇单元54接收到一个低电平信号后，低电平信号使得第四pnp三极管q4导通，继电器的线圈通电。电磁效应使得继电器的常开触点和衔铁闭合，然后电机m通电启动，带动排气扇开始工作。
37.处理器单元51向报警单元53和排气扇单元54发出驱动信号的同时，也将第一可燃气体检测单元55和第二可燃气体检测单元56采集到的管廊环境中可燃气体浓度信息，如甲烷浓度、co浓度通过zigbee终端节点单元52传输至zigbee路由节点模块4；然后，zigbee路由节点模块4将可燃气体浓度信息传输至zigbee协调器模块3；zigbee协调器模块3作为中心节点接收可燃气体浓度信息后进行信息的汇总并将数据信息利用gprs网络传输至上位机1的显示器进行实时显示。远程控制室的工作人员可以在上位机1的显示器查看到报警信息和实时可燃气体浓度，并及时派出维修人员针对故障处进行相应的维修处理，保证了对易燃易爆气体浓度超标的及时提醒和处理，保障管廊环境安全。
38.以上结合具体实施方式和范例性实例对本实用新型进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本实用新型的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本实用新型精神和范围的情况下，可以对本实用新型技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本实用新型的范围内。本实用新型的保护范围以所附权利要求为准。