工业烟气实时无线监测装置的制作方法

本发明涉及环保技术领域，具体涉及工业烟气实时无线监测装置。

背景技术

随着全球工业化进程的飞速发展，环境污染和生态破坏日益严重引起了世界各国的高度重视。烟气监测系统可以连续、实时、在线监测污染源排放烟气中的颗粒污染物、气态污染物的浓度和排放总量，可以实现监测污染物排放总量的目标。基于目前国内污染源烟气排放的实际状况，国家对固定污染源大气污染物排放及监测要求日益严格，烟气排放连续监测的应用发展必将是大势所趋。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供工业烟气实时无线监测装置。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了工业烟气实时无线监测装置，包括颗粒物连续监测子系统，由颗粒物测量仪及校零标准仪组成，用于对烟道中颗粒物含量进行测量，并将监测结果传输到分析预警子系统；

无线传感器网络监测子系统，用于采集烟气中包括温度、压力、流量、湿度和氧含量在内的烟气参数数据，并将烟气参数数据传输到分析预警子系统；

气态污染物连续监测子系统，包括气态污染物采样器、烟气预处理装置、气体控制器和气态污染物分析仪，由气态污染物采样器收集气态污染物样品，经过烟气预处理装置进入气体控制器，在气体控制器内对不同组分的污染气体进行分类后进入气态污染物分析仪进行分析，得到各污染气体的浓度数据，并将浓度数据传送到分析预警子系统；

分析预警子系统，用于对所述监测结果、所述烟气参数数据和所述浓度数据进行存储、显示和分析处理，在所述监测结果、所述烟气参数数据或所述浓度数据超出对应设定的数据范围时执行报警。

优选地，所述颗粒物连续监测子系统上连接有一探头，该探头安装在烟道中，对烟道中颗粒物含量进行测量。

优选地，所述无线传感器网络监测子系统包括汇聚节点和多个传感器节点，汇聚节点与分析预警子系统通信，多个传感器节点通过分簇确定簇头节点，簇内的传感器节点将采集的烟气参数数据传送至对应的簇头节点，簇头节点将接收的烟气参数数据通过多跳路由的方式传输至汇聚节点。每个传感器节点内设有以下一种或多种传感器：

温度传感器、压力传感器、用于监测烟气流量的传感器、湿度传感器、用于监测氧含量的传感器。

本发明的有益效果为：实现了对工业烟气的在线连续监测，且提高了系统的自动化程度、减少了维护工作量，使系统稳定性好，数据处理快速方便。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的工业烟气实时无线监测装置的结构示意框图；

图2是本发明一个示例性实施例的气态污染物连续监测子系统的结构示意框图。

附图标记：

颗粒物连续监测子系统1、无线传感器网络监测子系统2、气态污染物连续监测子系统3、分析预警子系统4、气态污染物采样器10、烟气预处理装置20、气体控制器30、气态污染物分析仪40。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明实施例提供了工业烟气实时无线监测装置，包括颗粒物连续监测子系统1，由颗粒物测量仪及校零标准仪组成，用于对烟道中颗粒物含量进行测量，并将监测结果传输到分析预警子系统4；

无线传感器网络监测子系统2，用于采集烟气中包括温度、压力、流量、湿度和氧含量在内的烟气参数数据，并将烟气参数数据传输到分析预警子系统4；

气态污染物连续监测子系统3，包括气态污染物采样器10、烟气预处理装置20、气体控制器30和气态污染物分析仪40，由气态污染物采样器10收集气态污染物样品，经过烟气预处理装置20进入气体控制器30，在气体控制器30内对不同组分的污染气体进行分类后进入气态污染物分析仪40进行分析，得到各污染气体的浓度数据，并将浓度数据传送到分析预警子系统4；

分析预警子系统4，用于对所述监测结果、所述烟气参数数据和所述浓度数据进行存储、显示和分析处理，在所述监测结果、所述烟气参数数据或所述浓度数据超出对应设定的数据范围时执行报警。

在一个实施例中，所述颗粒物连续监测子系统1上连接有一探头，该探头安装在烟道中，对烟道中颗粒物含量进行测量。

在一个实施例中，所述无线传感器网络监测子系统包括汇聚节点和多个传感器节点，汇聚节点与分析预警子系统通信，多个传感器节点通过分簇确定簇头节点，簇内的传感器节点将采集的烟气参数数据传送至对应的簇头节点，簇头节点将接收的烟气参数数据通过多跳路由的方式传输至汇聚节点。其中，每个传感器节点内设有以下一种或多种传感器：

温度传感器、压力传感器、用于监测烟气流量的传感器、湿度传感器、用于监测氧含量的传感器。

本发明上述实施例实现了对工业烟气的在线连续监测，且提高了系统的自动化程度、减少了维护工作量，使系统稳定性好，数据处理快速方便。

在一个实施例中，汇聚节点和多个传感器节点共同构建分簇拓扑结构的无线传感器网络，构建无线传感器网络时，采用基于最大一致性时间同步的方式实现传感器节点之间的时钟同步，从而所有传感器节点的逻辑时钟都达到一个共同的全局时钟，具体为：

(1)每个簇的簇头与其簇内传感器节点进行信息交换，将自己的逻辑时钟同步到其簇内的逻辑时钟速率最大的传感器节点的逻辑时钟；

(2)网络中所有簇头之间进行通信，采用已有的最大一致性时间同步方法进行同步，以使所有簇头的逻辑时钟同步到网络中的最大逻辑时钟；

(3)各簇头采用已有的最大一致性时间同步方法，通过与簇内传感器节点的信息交换将自身的逻辑时钟扩散到其簇内的所有传感器节点，此时，整个网络中的所有传感器节点的逻辑时钟达到全局一致。

本实施例结合无线传感器网络的分簇拓扑结构，提出了新的传感器节点一致性时间同步的机制，该机制中，由各簇头将自己的逻辑时钟同步到其簇内的逻辑时钟速率最大的传感器节点的逻辑时钟，然后同步到网络中的最大逻辑时钟，并将同步后的最大逻辑时钟扩散到其簇内的所有传感器节点。

本机制相对于传感器节点通过周期性向邻居节点广播时钟信息来更新自己的逻辑时钟的方式，减少了簇内传感器节点广播时钟信息的次数，有效减少了广播频率，从而能够降低网络的通信开销以及传感器节点的能耗，从而在整体上节省了烟气参数数据采集的能耗。

在一个实施例中，簇头将自己的逻辑时钟，同步到其簇内的逻辑时钟速率最大的传感器节点的逻辑时钟，具体包括：

(1)对于网络中的任意传感器节点i，设置逻辑时钟的斜率补偿参数qi和偏差补偿参数pi的初始条件为qi＝1，pi＝0；每个传感器节点设置共同的广播周期x，同步过程中，传感器节点按照所述广播周期x向簇头广播时钟信息，所述时钟信息包括传感器节点自身当前的硬件时钟值、斜率补偿参数和偏差补偿参数；

(2)簇头z每次接收簇内任意传感器节点j广播的时钟信息后，记录自身的硬件时钟值和收到的时钟信息，假设簇头z分别在t＝t1，t2，...，th时刻成功收到传感器节点j广播的时钟信息，簇头z与传感器节点j在t1时刻的相对时钟斜率yzj(t1)＝1，按照下列公式计算出簇头z与传感器节点j在th时刻的相对时钟斜率：

式中，yzj(th)表示簇头z与其簇内的传感器节点j在th时刻的相对时钟斜率，xj(th)为传感器节点j在th时刻的硬件时钟值，xj(th-1)为传感器节点j在th-1时刻的硬件时钟值，yzj(th-1)为簇头z与其簇内的传感器节点j在th-1时刻的相对时钟斜率，xz(th)为簇头z在收到传感器节点j在th时刻的硬件时钟值后记录的自身的硬件时钟值，xz(th-1)为簇头z在收到传感器节点j在th-1时刻的硬件时钟值后记录的自身的硬件时钟值；

(3)当h达到设定的阈值时，簇头z向簇内各传感器节点发送暂停消息，从而使收到暂停消息的各传感器节点停止向簇头z广播时钟信息，计算簇头z与其簇内任意传感器节点j在此时的逻辑时钟速率的比值mzj，并通过对比最大比值max(mzj，j＝1，...kz)和1的大小来更新簇头z的斜率补偿参数和偏差补偿参数。

簇头与簇内传感器节点间的相对时钟斜率的精度会影响到时钟同步的精度，本实施例设定了新的相对时钟斜率的计算公式，该计算公式将先前计算的相对时钟斜率考虑到当前的相对时钟斜率的计算中，能够有效提高相对时钟斜率的计算精度；当簇内任意传感器节点广播时钟信息的次数达到设定的阈值时，簇头向簇内各传感器节点发送暂停消息以限制各传感器节点继续广播时钟信息，能够有效减少簇内传感器节点广播时钟信息的次数，从而降低簇内传感器节点的能耗，进而在整体上节省工业烟气实时无线监测装置的监测成本。

在一种可能实现的方式中，通过对比最大比值max(mzj，j＝1，...kz)和1的大小来更新簇头z的斜率补偿参数和偏差补偿参数，具体地，当max(mzj，j＝1，...kz)＞1时，选择最大比值max(mzj，j＝1，...kz)对应的传感器节点的逻辑时钟为参考时钟，进行斜率补偿参数和偏差补偿参数校正；若max(mzj，j＝1，...kz)≤1时，比较最大比值max(mzj，j＝1，...kz)对应的传感器节点与簇头的逻辑时钟，选择其中最大的逻辑时钟为参考时钟。

在一个实施例中，设定所述mzj的计算公式为

其中，yzj为簇头z与其簇内任意传感器节点j在此时的相对时钟斜率，qj为传感器节点j的逻辑时钟的斜率补偿参数，qz为簇头z的逻辑时钟的斜率补偿参数，kz为簇头z的簇内传感器节点个数；gj为传感器节点j的当前剩余能量，gmin为设定的最小能量值，e为设定的衰减系数；为比较函数，当当时，

本实施例在簇头与其簇内传感器节点之间的逻辑时钟速率的比值的计算公式中，考虑了传感器节点的能量因素，为能量不足的传感器节点设置了衰减系数，能够避免因能量不足导致的状态不是很稳定的传感器节点会影响到簇头的时钟同步，从而避免可能异常的传感器节点使时钟速度快于实际时间的情况。

在一个实施例中，当计算出簇头z与传感器节点j在th时刻的相对时钟斜率满足下列条件时，簇头z判定该传感器节点j为攻击节点，并忽略与该传感器节点j的一切信息：

式中，yzj(t1)簇头z与其簇内的传感器节点j在t2时刻的相对时钟斜率，a为设定的差值阈值。

本实施例创新性地设定了硬件时钟防御机制，该机制简单、便于实施，使得网络中的攻击节点不能自由地改变硬件时钟读数并广播给安全的传感器节点，攻击节点的信息不会用于时钟更新，从而有效避免攻击节点使时钟速度快于实际时间的情况，进一步保障无线传感器网络运行的稳定性。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。