专利名称：化学品泄漏事故应急无线毒性气体检测仪的制作方法
技术领域：
本发明属于安全生产监控与应急救援技术领域，特别涉及用于检测化学品泄漏事故现 场风向风速与毒性气体浓度，并通过无线自动向应急救援指挥中心发送这些信息的气体检 测仪。技术背景随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。 这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故， 严重危害人民的生命和财产安全。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风 力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或'毒害危险 区，扩大危害区域。在化学品泄漏事故发生后，事故处置将围绕采样检测、确定警戒区域、 组织危险区域内群众撤离、抢救中毒人员、堵漏、洗消等方面展开。进行处置的第一个方 面应该是利用气体检测设备快速建立应急监测系统，迅速准确识别泄漏气体种类、泄漏气 体浓度及现场风向风速，为确定人员疏散范围和疏散路径提供依据。但是，目前虽然已有 用于气体浓度监测的便携式检测设备，但大多只能对单一气体进行检测，用于化学品泄漏 事故现场风向风速和多种气体浓度监测的复合检测设备基本处于空白状态，事故发生以后 也无法及时获取事故现场的相关信息，严重影响应急救援工作的顺利开展，容易造成重大 财产损失和人员伤亡事故。发明内容本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种化学品泄漏事故应急无线毒 性气体检测仪，可对泄漏现场气体浓度分布、风向风速进行检测，为确定人员疏散范围和 疏散路径提供依据，大大提高化学品泄漏事故处置的工作效率和安全性。本发明提出的化学品泄漏事故应急无线毒性气体检测仪，其特征在于它包括风向、 风速传感器、至少一种以上的毒性气体传感器及其放大电路、单片机及其外围电路、GPS 模块、无线发送模块及其天线、ID设置开关、电源及电源转换电路；其连接关系为所述 各毒性气体传感器输出端与其放大电路输入端相连，各放大电路输出端与所述单片机的 AD转换接口连接，所述风速风向传感器的风速、风向输出端口分别与单片机的PB和PC 口连接，所述GPS模块、无线发送模块以及电源转换电路均与单片机相连，所述电源与电源转换电路相连。所述该单片机外围电路包括；风速检测电路、风向检测电路、GPS模块电路、ID设置电路、单片机晶振电路、AD转换基准电压电路。所述电源采用12V电池，所述电源转换电路与电源输出端相并将连转换成5V和3.3V 电源；单片机及其时钟电路采用5V电源供电，GPS模块采用3.3V电源供电，无线发送模 块、传感器及其放大电路采用12V供电。所述毒性气体传感器可包括NH3气体传感器、CL2气体传感器、CO气体传感器、H2S 气体传感器、HCL气体传感器、S02气体传感器。本发明的工作过程为-使用本发明时，首先打开ID设置开关，设置本检测仪的ID号，然后打开电源开关， GPS指示灯闪烁；GPS指示灯熄灭后，表示GPS模块定位成功，工作正常。本发明的时 钟电路为系统提供时间信息；12V电池为设备提供电源；风向风速传感器用于检测现场风 向风速；气体传感器(NH3、 CL2、 CO、 H2S、 HCL、 S02)及其放大电路用于检测六种气 体的浓度，传感器输出信号与其周围的气体含量成正比，放大电路对传感器的输出信号进 行放大，并将其转化成标准的4 20mA信号，单片机定时对这些信号进行采集，经运算后 转换成与所测相对应的值；单片机将风向风速、气体浓度、GPS定位信息及机器ID号编 码后，通过无线发送模块发送到应急救援中心。本发明还提出一种化学品泄漏事故应急无线毒性气体检测仪网络，其特征在于该网 络由多个布置于应急救援现场的无线毒性气体检测仪和与所述各检测仪进行无线通信的 应急指挥中心组成，所述检测仪包括风向、风速传感器、至少一种以上的毒性气体传感器 及其放大电路、单片机及其外围电路、GPS模块、无线发送模块及其天线、ID设置开关、 电源及电源转换电路；其连接关系为所述各毒性气体传感器输出端与其放大电路输入端 相连，各放大电路输出端与所述单片机的AD转换接口连接，所述风速风向传感器的风速、 风向输出端口分别与单片机的PB和PC 口连接，所述GPS模块、无线发送模块以及电源 转换电路均与单片机相连，所述电源与电源转换电路相连；所述应急指挥中心包括应急指 挥主机和与之相连的无线接收模块；各检测仪对化学品泄漏事故现场各点的浓度和风向风 速进行实时监测，并主动将信息发送到应急指挥中心；并利用其GPS模块获取的精确授时 信息作为定时发送的基准，实现信息发送的同步，气体检测仪根据自身ID号和发送周期 确定信息发送时机；应急指挥中心利用无线接收模块接收各检测仪发送来的信息，并传给 应急指挥主机，应急指挥主机对各监测点的气体浓度、风向、风速等信息进行，并利用气 体扩散模型估算气体扩散范围，确定人员疏散范围和人员疏散路径。本发明的特点及效果本检测仪适合于对化学品泄漏事故现场的风向风速和气体浓度进行实时监测，并无线 发送到应急救援中心；且可将多个上述检测仪布置于事故现场，组成无线网络，对事故现 场各点的浓度和风向风速进行实时监测，为确定人员疏散范围和疏散路径提供依据，大大 提高化学品泄漏事故处置的工作效率和安全性，对于控制事故损失具有重要的作用。假设由N个气体检测仪组成无线网络向应急指挥中心传送现场数据，则各气体检测仪利用GPS模块获取的精确授时信息作为定时发送的基准，实现信息发送的同步，气体检测 仪根据ID号和发送周期确定信息发送时机。假设信息发送基准时间为t0，信号发送周期 为T秒，则ID号为n的气体检测仪信息发送时机为tO+n* (T/N)。
图1为本发明的总体结构框图。图2为本发明的实施例的电路图；其中，图2(a)为5V电源转换电路图； 图2(b)为3.3V电源转换电路图， 图2(c)为单片机外围电路。 图3为本发明的实施例的工作流程图。
具体实施方式
本发明设计的应急无线气体检测仪结合附图及实施例详细描述如下 本发明实施例的总体结构如图1所示，本检测仪包括风向风速传感器、六种毒性气体传感器(NH3、 CL2、 CO、 H2S、 HCL、 S02)及其放大电路、单片机及其外围电路、GPS 模块及其GPS天线、无线发送模块及其天线、ID设置开关、12V电池电源、5V电源转换电路及3.3V电源转换电路；其连接关系为其连接关系为所述各毒性气体传感器输出端与其放大电路输入端相连，各放大电路输出端与所述单片机的AD转换接口连接，所述 风速风向传感器的风速、风向输出端口分别与单片机的PB和PC 口连接，所述GPS模块、 无线发送模块以及电源转换电路均与单片机相连，所述电源与电源电压转换电路相连。 本实施例检测仪各部件的功能分别说明如下-本实施例总电源采用深圳市威智达光电科技有限公司12V镍氢充电电池，主要技术参 数电压,12V;容量，譲0mAh;体积，2.5"Hx2.5" Wx6.3"L;重量，3.5 Lb。通过电源转换电路转换成5V和3.3V电源；单片机及其时钟电路采用5V电源供电， GPS模块采用3.3V电源供电，无线发送模块、传感器及其放大电路采用12V供电。本实施例的5V电源转换电路如图2(a)所示，采用7805芯片及分别与该7805芯片的 输入端、输出端相连的12V电源稳压、滤波电路单元和+5V信号滤波电路单元，该7805 芯片将总电源12V电压转换成5V电压，为单片机供电；该电源稳压、滤波电路单元由依 次相连的二极管D1、保险丝D2、电感L1及电容C1、 C2和C3组成，对12V信号进行稳 压、滤波后送给7805芯片进行转换；该+5V信号滤波电路单元由依次相连的电容C4、 C5、 电阻R2、 LEDD3、电感L2及电容C6、 C7组成，对7805芯片输出的+5V信号进行滤波。本实施例的3.3V电源转换电路如图2(b)所示，采用3002芯片及与其输出端相连的由 电容C41、 C42组成；该转换电路将5V电压转换成3.3V电压，为GPS模块供电。其中， 3002芯片将输入的+5V信号转换成3.3V信号，其输出端OUT的电容C41、 C42组成的电路对3002芯片输出的3.3V信号进行滤波。本实施例的风向风速传感器采用辽宁锦州阳光的EC-9X(S)风速风向传感器，主要技术参数工作电压，DC12V;启动风速，S0.4m/S;风速输出信号形式，脉冲(频率)信号；风速精确度，±(0.3+0.03V)m/s;风速测量范围，0~70m/s;风向测量范围，0 360°;风向 测量精度，±3°;风向输出信号形式，七位格雷码。本实施例的六种毒性气体传感器(NH3、 CL2、 CO、 H2S、 HCL、 S02)及其放大电路 采用深圳市富安达智能科技有限公司的membrapor电化学气体传感器，放大电路输出 4 20mA标准信号；传感器主要技术参数如下NKb传感器测量范围，0 1000ppm;最大负载，2000ppm;工作寿命，空气中2年； 输出信号25±8nA/ppm;分辨率4卯m。CL2、传感器测量范围0 20ppm;最大负载200ppm;工作寿命，空气中2年； 输出信号，-1000±250nA/ppm;分辨率，0.1 ppm。CO传感器测量范围，0 1000ppm;最大负载，2000ppm;工作寿命，空气中2年； 输出信号，70±15nA/ppm;分辨率，1 ppm。 'H2S传感器测量范围，0-200ppm;最大负荷，500ppm;工作寿命，空气中2年； 输出，370±80nA/ppm;分辨率，0.25 ppm。HCL传感器测量范围，0 20ppm;工作寿命，空气中2年；输出信号，450士150nA/ppm; 分辨率0.2ppm。S02传感器测量范围，0 100ppm;最大负载，500ppm;工作寿命，空气中2年； 输出信号，370±70nA/ppm;分辨率0.5ppm。(4) GPS模块采用SkyNav GM25，主要技术参数频率，Ll, 1575.42 MHz; C/A 码，1.023 MHz;通道，12 Channels;跟踪灵敏度，-160dBm;捕获灵敏度，-148dBm;定 位准确性，10m@2DRMS;数据刷新率，1Hz。本实施例的无线发送模块采用深圳市华奥通通信技术有限公司的HAC-HN数传模块， 主要技术参数工作电压，12V;波特率'1200/2400/4800/9600/19200/38400bps可选；频 段，433MHz;视距距离，6000m@2400bps， 3000m@19200bps;输出功率，37dBm(5w); 频率稳定度，±2.5PPM;网络拓扑，点对点，点对多点。本实施例的无线接收模块采用深圳市华奥通通信技术有限公司的HAC-LM模块，主要 技术参数工作电压，4.75-5.5VDC;波特率，1200/2400/4800/9600/19200/38400bps可选； 频段，433MHz;输出功率，500mW;网络拓扑，点对点，点对多点。本实施例的应急指挥主机采用联想ThinkPadX61,主要技术参数CPU类型，Intel酷 睿2双核T7100(1.8GHz);最高主频，1800MHz;内存大小，512MB;硬盘大小，80GB; 屏幕尺寸，12.1英寸；笔记本重量，1430g 。本实施例的ID设置开关采用慈溪市网通电子有限公司4位DIP开关WTll-SMT-04， 可以设置ID范围为0 15，主要技术参数操作力，最大1000g;推钮行程2.0mm;电器寿命，每个开关在电压24VDC与电流25mA之下测试，可来回拨动2000次。本实施例的单片机，以及单片机通过外围电路与各部件的连接关系如图2(c)分别说明 如下单片机为本发明的核心器件，在它的控制下，完成数据采样、编码和发送等，本实 施例采用Atmel公司的AVRATmegal6单片机，主要技术参数工作电压，2.7-5.5V;数 据吞吐率，lMIPS/MHz;系统内可编程Flash, 16K字节；EEPROM, 512字节；擦写寿 命，IOOOOO次；片内SRAM, 1K字节；两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时 器/计数器； 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器8路10位 ADC;两个可编程的串行USART; 6种睡眠模式，空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电 模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式。风速检测电路由电感L6、电容C31、 C32、 C50、电阻R20及Jll接口组成，其中， 电感L6的一端与5V电源相连，另一端与电容C31、 C32的一端同连接在J11接口的节点 2上，电容C31的另一端接地；电容C32的另一端连接在J11接口的节点1上，电容C50 一端通过电阻R20连接在J11接口的节点3上，电容C50的另一端接地；风速检测电路通 过Jl 1接口与风速风向传感器连接，并与单片机PB0和PB1端口连接。风向检测电路由电阻R21 R28、电容C28、 C29、 C33 C40、电感L5及J10接口组 成，其中，各电阻R21 R28的一端和各电容C33 C40的一端分别与单片机的19 26端口 相连，各电阻R21 R28的另一端与J10接口的1~8节点相连，各电容C33 C40的另一端 接地；电容C28、 C29和电感L5的一端均与J10接口的1节点相连，电容C28、 C29的另 一端与J10接口的9接地节点相连，电感L5的另一端接+5V电源。风速风向传感器通过 J10接口与风速检测电路连接。单片机晶振电路由晶振X1， 7.3728MHz和分别连在其两端的电容C8、 C9构成，通 过XTAL1和过XTAL2端口与单片机连接，为单片机提供震荡信号。AD转换基准电压电路由电容CIO、 Cll和电感L3、L4构成，分别与单片机的AREF、 GND、 AVCC端口连接，该电路提供AD转换所需的基准电压信号。无线发射模块接口无线发射模块通过J12接口 (DB9型串口)与单片机PD2端口连 接，单片机通过PD2端口将待发送信息传往无线发送模块。ISP在线编程接口 J16是在线编程接口，该接口与单片机的PB5 PB7及RESET端 口连接，实现单片机程序的下载和在线调试。GPS模块电路由电阻R29、 R30和接口J13构成，该接口的4、 5节点与3.3V电源 相连，1节点通过电阻R29与单片机的PD0和PD1端口与单片机连接，电阻R30—端接 地，另一端与1节点相连；GPS模块通过接口与单片机相连，该电路为单片机提供GPS 定位信号。④ID设置电路电阻R33 R36构成，其中，各电阻R33 R36的一端与四位ID设置 开关相连，另一端与单片机的PD2 PD5端口相连，通过该电路可以对检测仪的ID号进行设置。本发明的单片机的工作流程如图3所示，包括以下步骤(1) 单片机上电，GPS模块、Flash、 SRAM、 EEPROM及存储器各变量初始化(信 息数n-O);(2) 等待GPS模块定位；(3) 判断GPS信号是否有效，如果GPS信号有效，则转(4)，如果GPS信号无效， 则转(3);(4) 读取GPS数据，转换纬度、经度、海拔高度及时间信息；校正时间参数，同步定时。(5) 读取风速、风向、气体浓度信息；对信息进行编码；(6) 计算发射起始时间，定时等待；如果定时时间到，则转(7);(7) 发送信息，信息计数n-n+l;如果n〉256，则n=0，转(3);如果iK256，则转 (5)。在实际使用中，本发明可以将上述多个气体检测仪(本实施例为16个)^J置于应急 救援现场，与远端的应急指挥中心组成无线网络，所述应急指挥中心包括应急指挥主机和 与之相连的无线接收模块；各检测仪对化学品泄漏事故现场各点的浓度和风向风速进行实 时监测，并主动将信息发送到应急指挥中心；并利用其GPS模块获取的精确授时信息作为 定时发送的基准，实现信息发送的同步，气体检测仪根据自身ID号和发送周期确定信息 发送时机；应急指挥中心利用无线接收模块接收各检测仪发送来的信息，并传给应急指挥 主机，应急指挥主机对各监测点的气体浓度、风向、风速等信息进行，并利用气体扩散模 型估算气体扩散范围，确定人员疏散范围和人员疏散路径。
权利要求
1、一种化学品泄漏事故应急无线毒性气体检测仪，其特征在于它包括风向、风速传感器、至少一种以上的毒性气体传感器及其放大电路、单片机及其外围电路、GPS模块、无线发送模块及其天线、ID设置开关、电源及电源转换电路；其连接关系为所述各毒性气体传感器输出端与其放大电路输入端相连，各放大电路输出端与所述单片机的AD转换接口连接，所述风速风向传感器的风速、风向输出端口分别与单片机的PB和PC口连接，所述GPS模块、无线发送模块以及电源转换电路均与单片机相连，所述电源与电源转换电路相连。
2、 如权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述单片机外围电路包括风速检测电路、风向检测电路、GPS模块电路、ID设置电路、单片机晶振电路、AD转换基准电压 电路，其中，风速检测电路与所述风速传感器相连，风向检测电路与所述风向传感器相连， GPS模块电路与GPS模块相连，ID设置电路与、ID设置开关相连。
3、 如权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述电源采用12V电池，所述电源转 换电路与电源输出端相连并转换成5V和3.3V电源；所述单片机及其时钟电路与5V电源 相连，所述GPS模块与3.3V电源相连，所述无线发送模块、传感器及其放大电路与12V 相连。
4、 如权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述毒性气体传感器包括NH3气体 传感器、CU气体传感器、CO气体传感器、H2S气体传感器、HCL气体传感器、S02气体 传感器之中 一种以上任意组合。
5、 一种化学品泄漏事故应急无线毒性气体检测仪网络，其特征在于该网络由多个 布置于应急救援现场的无线毒性气体检测仪和与所述各检测仪进行无线通信的应急指挥 中心组成，所述检测仪包括风向、风速传感器、至少一种以上的毒性气体传感器及其放大 电路、单片机及其外围电路、GPS模块、无线发送模块及其天线、ID设置开关、电源及电 源转换电路；其连接关系为所述各毒性气体传感器输出端与其放大电路输入端相连，各 放大电路牆出端与所述单片机的AD转换接口连接，所述风速风向传感器的风速、风向输 出端口分别与单片机的PB和PC 口连接，所述GPS模块、无线发送模块以及电源转换电 路均与单片机相连，所述电源与电源转换电路相连；所述应急指挥中心包括应急指挥主机 和与之相连的无线接收模块；各检测仪对化学品泄漏事故现场各点的浓度和风向风速进行 实时蓝测，并主动将信息发送到应急指挥中心；并利用其GPS模块获取的精确授时信息作 为垒时发送的基准，实现信息发送的同步，气体检测仪根据自身ID号和发送周期确定信 息金送时机；应急指挥中心利用无线接收模块接收各检测仪发送来的信息，并传给应急指 挥主机，应急指挥主机对各监测点的气体浓度、风向、风速等信息进行，并利用气体扩散 模型估算气体扩散范围，确定人员疏散范围和人员疏散路径。
全文摘要
本发明涉及一种化学品泄漏事故应急无线毒性气体检测仪，属于安全生产监控与应急救援技术领域，它包括风向、风速传感器、至少一种以上的毒性气体传感器及其放大电路、单片机及其外围电路、GPS模块、无线发送模块及其天线、ID设置开关、电源及电源转换电路；各毒性气体传感器输出端与其放大电路输入端相连，各放大电路输出端与所述单片机的AD转换接口连接，风速风向传感器的风速、风向输出端口分别与单片机连接，GPS模块、无线发送模块以及电源转换电路均与单片机相连，电源与电源转换电路相连。本发明可以实现化学品泄漏事故应急救援现场风向、风速及多种毒性气体的浓度检测，并将检测结果定时发送到远端的应急指挥中心，更好地保障人民的生命与财产安全。
文档编号G08C17/00GK101216987SQ20081005588
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月11日 优先权日2008年1月11日
发明者磊 关, 骥 刘, 吴宗之, 多英全, 康荣学, 方来华, 桑海泉, 聂剑红, 魏利军 申请人:中国安全生产科学研究院