一种基于5G通讯便携式烟气监测数据采集系统和装置的制作方法

一种基于5g通讯便携式烟气监测数据采集系统和装置
技术领域
1.本实用新型属于环境监测领域，更具体地说，涉及一种基于5g通讯便携式烟气监测数据采集系统和装置。


背景技术：

2.cems是英文continuous emission monitoring system的缩写，是指对固定污染源排放的烟气参数(温度、压力、流速、湿度)、气态污染物(so2、nox)、颗粒物进行浓度和排放总量连续监测，同时将监测环保数据实时传输到环保主管部门的装置，被称为“烟气自动监控系统”，亦称“烟气排放连续监测系统”。
3.一般来说，在工业排放的烟气排放口都配备了相应的烟气排放连续监测系统(以下简称 cems)，实时监测烟气排放中的颗粒物浓度、气态污染物浓度(so2、nox)、烟气参数(温度、压力、流速、湿度、含氧量)等参数，同时计算烟气中污染物的排放速率和排放量、显示和记录各种数据和参数，形成相关图表，并通过环保数据采集仪将数据、图文等方式传输至管理部门。
4.为了保证cems测量的数据准确性，环保部门制定hj75
‑
2017、hj76
‑
2017等环保标准规定运用参比方法对正常运行的cems的监测数据“准确度”技术指标进行抽检和验证，对现场安装使用的cems系统监测结果进行有效的判别。
5.目前环保部门或第三方检测单位在进行检测的时候通常采用“参比方法”进行现场比对，“参比方法”是为验证cems系统监测数据准确性而采用的一项分析方法，在实际监测中，参比方法包含的监测项目有多种，采集数据使用的仪器包括便携式烟气分析仪、便携式温压流分析仪、便携式的湿度仪等设备等，在现场进行对比测试时，由于采样测量的各个数据分散，需现场手工记录，另外环保数据需要折算才能满足比对要求，因而测量过程容易受到人为干扰因素的影响，使监测数据的可靠性、准确性及有效性容易受到影响；此外，整个工作流程需现场采样、离线分析和计算，比对测量周期长，环保部门在现场执法时，无法得到实时的结果，进而给执法带来不便。
6.申请公布日为2019年12月10日，申请公布号为cn110554145a，专利名称为远程检测及校准烟气自动监控系统的装置和方法的中国专利公开了一种技术方案，包括：控制器，与动态稀释校准仪远程通信连接，并远程控制所述动态稀释校准仪为所述烟气自动监控系统提供标准气体；数据接收器，远程接收所述烟气自动监控系统对所述标准气体的测量结果，所述控制器根据所述测量结果判断所述烟气自动监控系统的工作状态。该技术方案通过控制器，可远程操控动态稀释校准仪、三通电磁阀的阀门并接受数据接收器的信号。无需人员到场，实现了现场执法由手动变为自动的过程。
7.申请公布日为2019年4月30日，申请公布号为cn109696210a，专利名称为一种化工工厂用环境监测系统及使用方法的中国专利公开了另一种技术方案，包括数据采集模块、环境监测模块、数据库、云服务平台、警示模块、智能终端和数据检测模块，数据采集模块包括气体采集单元、液体采集单元和固体颗粒采集单元，环境监测模块包括温度监测单元、湿
度监测单元、烟气监测单元和粉尘监测单元，数据检测模块包括运行检测单元和定位检测单元；该系统可对化工厂房内部及厂房区域室外的温湿度、烟气成分、粉尘浓度、气体成分、固体颗粒和污水处理后的液态数据分别进行监测，可对数据采集设备以及数据监测设备的运行状态和定位进行检测，可及时了解化工工厂的环境情况。
8.但是上述技术方案在进行数据监测分析时均通过远程服务平台进行分析，执法人员在现场执法时仍然无法获得实时的数据和结果。


技术实现要素：

9.1.要解决的问题
10.针对现有技术中的烟气监测数据无法获得实时的结果的问题，本实用新型提供一种基于 5g通讯便携式烟气监测数据采集系统和装置。
11.2.技术方案
12.为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：一种基于5g通讯便携式烟气监测数据采集系统，包括数据采集模块、数据显示和处理模块、数据通讯模块，所述数据采集模块用于采集温度仪、湿度仪、流速仪、压力仪、烟尘仪、气体分析仪中的一种或多种仪器的信号；并将采集到的信号通过数据通讯模块传输给数据显示和处理模块，数据显示和处理模块对收到的信号进行处理得到处理数据，并将处理数据和预设的参考值进行比对得到监测结果，并通过数据通讯模块将监测结果传输给云平台或环保监测中心，所述数据通讯模块为5g数据通讯模块。本技术方案能够对现场排放的污染物进行监测，并现场得到监测结果，同时还可将监测结果上传到环保监测中心或云平台，便于环保工作人员的现场执法。
13.进一步地，还包括网络摄像机，数据采集模块将采集到的网络摄像机的视频信号传输给数据显示和处理模块。本技术方案可通过网络摄像机采集现场的环保执法情况，以便对环保工作人员的现场执法情况进行记录，以便在发生纠纷时作为依据。
14.进一步地，还包括显示屏，所述数据显示和处理模块将接收到的信号和处理后的处理数据及监测结果传输给显示屏。本技术方案可将现场采集的实时数据(包括现场视频)和监测结果在显示屏上显示，使执法透明化、公开化。
15.进一步地，所述数据通讯模块通过modbus协议与数据采集模块通讯，所述数据通讯模块通过mqtt协议将监测结果上传至云平台或环保监测中心。
16.进一步地，所述数据采集模块采用msp430f5438作为主控芯片。
17.本实用新型还包括一种基于5g通讯便携式烟气监测数据采集装置，包括机箱，所述机箱内设置有数据采集模块、数据显示和处理模块、数据通讯模块，所述数据采集模块用于采集温度仪、湿度仪、流速仪、压力仪、烟尘仪、气体分析仪中的一种或多种仪器的信号；并将采集到的信号通过数据通讯模块传输给数据显示和处理模块，数据显示和处理模块对收到的信号进行处理得到处理数据，并将处理数据和预设的参考值进行比对得到监测结果，并通过数据通讯模块将监测结果传输给云平台或环保监测中心，所述数据通讯模块为5g数据通讯模块。
18.进一步地，所述数据显示和处理模块采用工控机单元实现，所述机箱上设置有工控机面板，用于接收输入的参考值或修改预设的参考值。
19.进一步地，所述工控机单元选用主频为800mhz的微处理器。
20.进一步地，所述机箱上设置有若干接口端子，温度仪、湿度仪、流速仪、压力仪、烟尘仪、气体分析仪中的一种或多种通过接口端子与数据采集模块实现信号传递。
21.进一步地，所述数据采集模块采用msp430f5438作为主控芯片。
22.3.有益效果
23.相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：
24.(1)本实用新型能实现对现场比对的便携式测量设备进行实时采集与监控，并将采集信号通过通讯模块上传到云平台，便于环保执法部门在远程可以实时监控和判断第三方人员现场测试数据的有效性；
25.(2)本实用新型可以将现场对比测试过程的完整视频通过网络监控发送至环保执法部门，对现场取样的测试点、比对测试的设备、测试人员以及整个操作过程进行全程监管，提高环保监察力度；
26.(3)本实用新型有效解决了“在线测量+离线分析”模式人为干扰大、测量过程质控差及周期长等缺点，当现场比对测量结束，环保部门远程可以出具测试比对报告，判定现场 cems监测数据的有效性和可靠性，提高工作效率。
附图说明
27.图1为本实用新型的内部原理图；
28.图2为本实用新型的功能框架示意图；
29.图3为本实用新型的流程图；
30.图4为本实用新型的装置的结构示意图；
31.图5为本实用新型的模拟量接口4
‑
20ma输入接口电路；
32.图6为本实用新型的模拟量接口0
‑
5v输入接口电路；
33.图7为本实用新型的rs232接口电路；
34.图8为本实用新型的rs485接口电路；
35.图9为本实用新型的9
‑
36vdc转5v电源电路；
36.图10为本实用新型的5v转3.3v电源电路；
37.图11为本实用新型的主控电路图；
38.图12为本实用新型的市电电源和供电电池切换电路；
39.其中，图4中：1：工控机面板；2：开关；3：接口端子；4：机箱
具体实施方式
40.下面结合具体实施例对本实用新型进一步进行描述。
41.本实用新型包括一种基于5g通讯便携式烟气监测数据采集系统、装置和方法，用于对烟气污染物进行监测，其中，基于5g通讯便携式烟气监测数据采集系统包括数据采集模块、数据显示和处理模块、数据通讯模块，其中，数据采集模块用于采集温度仪、湿度仪、流速仪、压力仪、烟尘仪、气体分析仪以及外部供电电池的信号，以得到待测量气体的温度、湿度、压力、流速、烟尘体积和浓度、气体污染物中的so2浓度、no浓度、o2浓度、外部供电电池的电压值等信息；数据显示和处理模块通过rs485接口和数据采集模块进行modbus 通讯
(modbus是一种串行通信协议，是modicon公司于1979年为使用可编程逻辑控制器(plc) 通信而发表。modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准(de facto)，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。)获取数据采集模块采集的信息，并将上述信息显示在显示屏上，使监测人员能够直观了解待测气体的各种指标；同时，数据显示和处理模块还对上述信息进行处理和计算，与系统内预设的参数进行比较，输出监测结果，如合格、超标等信息，便于监测人员现场确定监测结果；数据通讯模块用于将实时采集的数据和比对结果的数据上传到云平台或者环保监测中心，本实施例中的数据通讯模块为5g数据通讯模块。系统内预设的参数是根据国家环保部门的相关标准设定的数值，本实用新型中通过将现场监测的数值通过和参数比对，能够现场输出监测结果。
42.更具体地说，如图2所示，基于5g通讯便携式烟气监测数据采集系统包括数据采集模块、数据显示和处理模块以及数据通讯模块，数据采集模块用于采集温度、湿度、压力、流速信号，烟尘仪和气体分析仪的信号，视频信号，电池电压等状态参数信号，数据显示和处理模块用于实时显示数据采集模块采集的信号数据(即实时采集的各个变量值)，并对实时采集的信号数据进行处理，具体是对信号数据进行计算和折算，得到折算值，然后将折算值与参数进行比对，以输出监测结果。需要说明的是，进行比对所需的参数或参考值预先设置在系统内，在现场监测之前需要根据现场的情况进行参数设定，因为不同的现场测试的组分参数不一样，需要根据实际情况进行配置，通过数据显示和处理模块可接收用户的参数设定。另外，对于烟尘的监测与其他的监测不同，其需要对烟尘收集完毕进行称重后再进行，因此，数据显示和处理模块需要接收手工输入参数，即需要接收用户输入的烟尘重量之后再进行浓度计算；数据显示和处理模块同时还可以存储实时采集的信号数据、折算值以及比对结果进行存储，同时数据显示和处理模块还可以连接打印机，以打印实时采集的信号数据、折算值以及比对结果(即监测结果)等。
43.数据采集模块在1个周期内完成对流速仪、湿度仪、气体分析仪、烟尘仪、电池电压及设备内部状态量的采集，同时将采集的数据发送给工控机单元。其程序流程图如图3所示。
44.数据通讯模块主要采用modbus协议和mqtt(message queuing telemetry transport、消息队列传输探测)协议，数据通讯模块通过modbus协议获取数据采集模块采集的数据信息，通过mqtt协议将数据上传至云平台或环保监测中心。
45.具体实施时，数据显示和处理模块在硬件上主要基于工控机单元实现，可完成对整个系统的数据显示、数据处理、数据存储及数据上传的过程。具体使用时的操作为：
46.(1)新建本次测试任务的工程；
47.(2)在工程内输入参与测试的人员信息和测试点的位置及工况信息；
48.(3)设置本次比对测试的测试时间段；
49.(4)比对测试结束后，对本次比对测试任务结束进行确认。
50.首先，它通过rs485接口和数据采集模块进行modbus通讯，获取数据采集模块采集的温度t、压力p、流速v、湿度x、气体分析仪检测气体污染物so2浓度c(so2)、no浓度 c(no)、氧浓度c(o2)、烟尘体积v及电池电压等数据信息，并对实时数据进行存储，同时还可直接显示在显示屏上。
51.其次，它将采集的数据进行计算，由于现场比测值为分钟均值对比，所以需将采集
的数据进行计算成分钟均值即工况浓度。
52.数据显示和处理模块对数据采集模块采集的信息进行处理和计算的过程为：
53.由于现场比测值为分钟均值对比，即现场进行比对的参考值是分钟均值，现场监测的数值需要和参数比对的话，必须要统一成分钟均值，所以需将采集的数据进行计算成分钟均值即工况浓度具体的换算过程为：
[0054][0055]
其中：为分钟测量污染物质量浓度均值；
[0056]
c
qi
为每秒测量污染物质量浓度瞬时值；
[0057]
n为分钟内测量污染物质量浓度瞬时值有效数据个数；(n为整数，且n≥12)
[0058]
通过以上计算各个污染物的工况浓度最终计算成环保要求的折算浓度c
折
，还需要将工况浓度换算成标况浓度c
sn
，标况浓度c
sn
换算成标干浓度c
sn干
，最后换算成c
折
。
[0059][0060]
其中：c
sn
为污染物的标况浓度；
[0061]
为污染物的工况浓度；
[0062]
b
a
为监测点大气环境压力值；
[0063]
p
s
为监测点烟气静压值；
[0064]
t
s
为监测点烟气温度值；
[0065]
若测量的工况浓度为标干值，则c
sn
＝c
sn干
；
[0066]
若测量的工况浓度为湿基值，则c
sn
＝c
湿
；
[0067]
所谓的标干值即为标准状态下的干烟气的数值，湿基值表示含有实际水分的烟气数值，污染物的干基浓度和湿度浓度换算公式为：
[0068][0069]
式中：c
sn干
为污染物标干浓度；
[0070]
c
湿
为污染物湿度浓度；
[0071]
x
sw
为烟气绝对湿度；
[0072]
污染物的折算浓度为：
[0073][0074]
式中：α为实际测量的过量空气系数；
[0075]
α
s
为污染源排放标准中该行业的标准过量空气系数；
[0076]
实际测量的过量空气系数：
[0077]
式中：c
vo2干
为排放烟气中含氧量干基体积浓度。
[0078]
得到污染物折算浓度c
折
之后，将污染物折算浓度c
折
与参考值相比较，输出监测结果。
[0079]
最后，统根据新建的工程，输入的测量点位置信息和人员信息，设置好采样的时间段t0，将获取的实时数据，通过以上算法将实时数据换成分钟均值和折算值(也称为折算浓度)，并与存储的参考值比对得到监测结果，将上述的实时数据、折算浓度和监测结果按照一定的格式进行存储，便于历史查询和打印，同时将采集的实时数据、折算浓度和监测结果通过5g 网络，利用mqtt协议上传至云平台或环保监测中心。
[0080]
本实用新型还包括一种基于5g通讯便携式烟气监测数据采集方法，具体为：
[0081]
(1)利用数据采集模块采集监测现场的各种信息，如温度仪、湿度仪、流速仪、压力仪、烟尘仪、气体分析仪以及外部供电电池等信息，以得到待测量气体的温度、湿度、流速、压力、烟尘体积和浓度、气体污染物中的so2浓度、no浓度、o2浓度、外部供电电池的电压值等信息。
[0082]
(2)数据显示和处理模块接收数据采集模块采集的信息，并对接收的信息进行处理和显示，具体为：数据显示和处理模块通过rs485接口和数据采集模块进行modbus通讯获取数据采集模块采集的信息，并将上述信息显示在显示屏上，使监测人员能够直观了解待测气体的各种指标；同时，数据显示和处理模块还对上述信息进行处理，并与系统内预设的参考值进行比较，输出监测结果，如合格、超标等信息，便于监测人员现场确定监测结果；系统内预设的参考值或参数是根据国家环保部门的相关标准设定的数值，本实用新型中通过将现场监测的数值通过和参考值比对，能够现场输出监测结果。
[0083]
(3)数据通讯模块用于将实时采集的信号和监测结果上传到云平台或者环保监测中心，以便于及时查看。
[0084]
本实用新型还包括一种基于5g通讯便携式烟气监测数据采集装置，如图4所示，包括机箱4，在机箱4上设置有工控机面板1、开关2和接口端子3，具体实施时，机箱4采用 abs型高抗冲击的坚固工程塑料一体注塑成型，箱体封口上下均采用扁形弹性发泡密封橡胶条，确保箱体的防水和气密性，机箱4的工作温度在
‑
40℃～80℃，可耐一定温度的寒冷和炎热，确保在天气较为恶劣的情况下本实用新型也能正常工作。机箱4上设置的工控机面板1 便于人工操作，如进行参数选择或输入参数等等，开关2用于对本装置的开或关，接口端子 3包括若干个接口，用于连接温度仪、压力仪、烟尘仪和气体分析仪等设备，同时还可以预留接口，以满足其他设备的信号接入。机箱4内置有数据采集模块、供电模块、5g通讯模块和工控机单元，如图1所示，数据采集模块用于采集流速仪、湿度仪、烟尘仪和气体分析仪的信号，具体实施时，还可以包括温度仪、压力仪等其他测量设施的信号。数据采集模块采用msp430f5438作为主控芯片，其电路包括模拟量接口电路(4
‑
20ma/0
‑
5v)、rs232电路、 rs485电路、电源电路及主控电路等。模拟量接口电路(4
‑
20ma/0
‑
5v)主要完成对流速仪、湿度仪模拟信号的采集，具体接口如图5、图6所示，其中，图5是4
‑
20ma输入接口电路，图6是0
‑
5v输入接口电路。rs232接口电路实现数据采集模块和工控机单元之间的通讯，将数据采集模块采集的数据发送给工控机单元进行处理，具体电路图如图7所示。rs485接口电路主要采集气体分析仪和烟尘仪的数据，具体电路图如图8所示。电源电路主要将输入 9～36vdc电压转化成5v和3.3v，具体电路图如图9、图10所示。其中，图9是9
‑
36vdc 电压转化成5v电
源电路，图10是5v转3.3v电源电路。主控电路采用msp430f5438为主控芯片，该芯片最高可以倍频到72mhz的系统时钟，具有12路12位adc转换电路，其中有8路adc用于对4路4
‑
20ma和4路0
‑
5v模拟量的采集，4个uart分别用于2个rs232 接口和2个485接口，用于和烟气分析仪通讯和工控机通讯，3个定时器可以用于信号采集和通讯。具体电路图如图11所示。
[0085]
工控机单元与数据采集模块通讯连接，接收数据采集模块收集的信号数据，并将接收的信号数据进行处理，与系统内预设的参考值进行比较，以输出监测结果，如合格、超标等信息，同时工控机单元还与网络摄像头、显示屏、5g通讯模块通讯连接，工控机单元将接收到的网络摄像头将拍摄的视频信息在显示屏上显示，同时还可以通过5g通讯模块将监测结果和视频信息上传到云平台或者环保监测中心，以便于环保监测中心远程了解现场监测情况。具体实施时，工控机单元还可以连接打印机，具体可通过设置usb接口连接，现场监测人员可通过打印机实时打印现场烟气监测结果，便于环保监测人员的现场执法。
[0086]
具体实施时，工控机单元选用主频为高速800mhz的risc微处理器(精简指令集计算机、reduced instruction set computing risc)，其具有快速的数据处理和传输能力，显示屏可采用触摸显示屏，具体触摸显示屏可选用4.3寸、分辨率为480*273像素的led屏，触屏面板为4线精密电阻网络。触摸显示屏可以进行人机交互，可以进行新建测试的工程(项目)，输入项目的基本信息、烟尘的取样质量，结合获取的烟气体积数据，可以计算标况下和工况下的体积浓度。
[0087]
本实施例中的工控机单元具备128m闪存和64m内存，用于存储测量和折算的数据，同时，其具有1个rs232接口、1个485接口、2个usb接口及1个以太网口。rs232串口用于和数据采集单元通讯，rj45以太网口用于和网络摄像头通讯，rs485口用于和5g通讯模块通讯。
[0088]
具体实施时，本实用新型的供电方式可选用市电电源和锂电池供电两种供电方式，两种供电方式可以相互切换。当检测到有市电供电时，自动切换市电供电，反之，采用锂电池供电。锂电池采用18650电池组封装而成，标准电压为24.4vdc，充电电压为25.2vdc，电池容量为5200mah，可确保设备连续工作8小时以上。当锂电池充满电时，可锂电池直接供电；当锂电池电量低时，可通过电源适配器给锂电池充电及系统供电。锂电池和外市电切换电路如图12所示。
[0089]
5g通讯模块采用5g工业路由器实现，其支持5g网络，具备2路千兆网口、1路rs232 接口和1路rs485接口，其中rs485接口用于和工控机单元进行串口通讯；同时通过5g无线网络，应用mqtt通讯协议将实时采集和计算的数据上传到云平台或环保监测中心。
[0090]
打印机采用usb接口与工控机单元通讯，将实时测量数值、折算值、监测结果等数据按照规定的数据表格打印出来，提高现场环保监督的效率和力度。
[0091]
需要说明的是，在本实用新型中，信息和信号均表示温度仪、湿度仪、流速仪、压力仪、烟尘仪、气体分析仪等设备发出的信号，这些信号被信息采集模块采集，并通过数据显示和处理模块进行处理。