二氧化碳數(shù)據(jù)采集儀 - 副本

1、目錄1、研究背景32、內(nèi)容簡介33、技術(shù)分析43.1、二氧化碳紅外檢測技術(shù)43.2、gprs遠(yuǎn)距離通信技術(shù)54、采集儀設(shè)計(jì)54.1、總體設(shè)計(jì)54.2、紅外二氧化碳檢測裝置部分64.2.1、總體設(shè)計(jì)64.2.2、二氧化碳監(jiān)測方法64.3、數(shù)據(jù)采集模塊74.3.1、cc2530微處理器74.3.2、數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)84.4、太陽能供電部分91、研究背景隨著現(xiàn)在社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展，人類在對于自然開發(fā)利用的同時(shí)排放除了大量的溫室氣體，導(dǎo)致全球變暖。自1750年工業(yè)化進(jìn)程開始以來，由于大量使用化石燃料、毀林和改變土地用途，大量的溫室氣體排放導(dǎo)致二氧化碳在大氣中的濃度增加了39%。而近百年來全球的地表平均氣溫

2、上升了0.30.6攝氏度，海平面上升、極端天氣現(xiàn)象發(fā)生的頻率強(qiáng)度大大增加等一系列變化都使原本保障著生命體存在的溫室氣體逐漸威脅到了人類的生存和發(fā)展。目前我國是全球第二大二氧化碳?xì)怏w排放國，排放量約占全球總和的15%。按此情形發(fā)展下去，預(yù)計(jì)到2025年我國的排放總量將超越美國，成為世界第一大排放國。為了減少co2的排放，控制全球變暖的趨勢，人類一直在從不同層面探索解決問題的方案，如研發(fā)新技術(shù)、實(shí)施有效政策、頒布強(qiáng)制法規(guī)法令等。通過持續(xù)不斷的研究以及國際間的合作，co2的捕獲與封存(ccs)技術(shù)逐漸成為了研究熱點(diǎn)和減少碳排放的重要選擇方案，作為一項(xiàng)能將co2從工業(yè)生產(chǎn)中分離，并將其儲(chǔ)存在地下或海底

3、，實(shí)現(xiàn)與空氣隔絕的碳儲(chǔ)存技術(shù)，ccs技術(shù)能夠從根本上解決二氧化碳的控制問題，因此具有很大的發(fā)展?jié)摿Αｋm然ccs技術(shù)興起的時(shí)間還不長，但我國對二氧化碳地質(zhì)封存的研究已經(jīng)由試驗(yàn)階段向工業(yè)化推廣階段邁進(jìn)。伴隨著ccs示范工程的推廣，解決co2地質(zhì)儲(chǔ)存的安全性問題已經(jīng)迫在眉睫，需要對ccs工程建立嚴(yán)格的監(jiān)測管理體系和預(yù)警機(jī)制以避免co2泄漏造成的危害。對于儲(chǔ)存庫周圍土壤和大氣中co2的監(jiān)測是co2地質(zhì)儲(chǔ)存監(jiān)測的重要組成部分，通過長期監(jiān)測不僅可以發(fā)現(xiàn)來自儲(chǔ)存庫co2的逃逸，確定逃逸路徑和數(shù)量，而且還可以為分析co2地質(zhì)儲(chǔ)存對周圍環(huán)境的影響提供幫助。2、內(nèi)容簡介將物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)應(yīng)用到co2監(jiān)測系統(tǒng)中

4、，把監(jiān)測系統(tǒng)也分為三層結(jié)構(gòu)：感知層、傳輸層、應(yīng)用層。（1） 感知層是物聯(lián)網(wǎng)的最底層，作用是感知采集各類信息，應(yīng)用各類傳感器設(shè)備，通過傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的手機(jī)工作。（2） 傳輸層也被稱作網(wǎng)絡(luò)層，作用是將感知層得到的數(shù)據(jù)信息快速、準(zhǔn)確、安全的傳達(dá)到應(yīng)用層，起到承上啟下的作用。按傳輸距離可以分為兩部分，一部分是短距離無線傳輸通訊，另一部分是遠(yuǎn)距離無線傳輸通訊。短距離通信可以采用zigbee技術(shù)和wifi等，遠(yuǎn)距離通信以互聯(lián)網(wǎng)、gprs/3g/4g網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成。（3） 應(yīng)用層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，將得來的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中進(jìn)行整理，通過計(jì)算機(jī)、手機(jī)等輸出終端以圖像、文字語言、表格等形式展現(xiàn)。圖1系統(tǒng)總體框架3、技

5、術(shù)分析3.1、二氧化碳紅外檢測技術(shù)紅外吸收光譜原理簡述：紅外吸收只有在分子震動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候發(fā)生，因此紅外光譜又稱為分子震動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，屬分子吸收光譜。如果將透過t%濃度二氧化碳?xì)怏w后的紅外電磁輻射用單色器色散，使其波長或波數(shù)依序排列，并測量在不同波長處的輻射強(qiáng)度，便得到了吸收光譜，在co2氣體對紅外波長的吸收光譜簡圖中，波長為4.26m和波長為15m的位置存在兩個(gè)強(qiáng)吸收峰。因此根據(jù)co2對于特定波長紅外線具有強(qiáng)力吸收作用，便可以運(yùn)用光譜吸收理論測定co2氣體濃度。圖2-紅外波長3.2、gprs遠(yuǎn)距離通信技術(shù)gprs技術(shù)是基于gsm全球移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)之上實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分組接收發(fā)送的一種業(yè)務(wù)，gprs在

6、本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將監(jiān)測現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)，gprs有以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 與gsm網(wǎng)絡(luò)相比，gprs采用了分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，大幅度提高了?shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩罡邆鬏斔俣让棵肟蛇_(dá)到171.2kbit（2） 與3g/4g網(wǎng)絡(luò)相比，gprs的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍更廣泛，可以有效的保障野外監(jiān)測環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性（3） gprs成熟度高，支持各種多種其他傳輸技術(shù)，可以很輕松的實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)的對接（4） 具有實(shí)時(shí)在線的特點(diǎn)，在沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間段，也同樣保持與網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系，非常適合用于長期監(jiān)測控制（5） 由于gprs是以數(shù)據(jù)包形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，因此即使在網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)下，沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候也不會(huì)產(chǎn)生費(fèi)用，

7、降低了使用成本4、采集儀設(shè)計(jì)4.1、總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)感知層主要包括以下幾個(gè)部分：（1） 傳感器部分：首先系統(tǒng)的核心監(jiān)測參數(shù)為co2濃度，主要通過紅外co2監(jiān)測裝置完成（2） 數(shù)據(jù)采集部分：數(shù)據(jù)采集部分采用了cc2530芯片，負(fù)責(zé)傳感器部分的數(shù)據(jù)采集工作（3） 太陽能供電系統(tǒng)：考慮到各種不同的工作環(huán)境，必須有穩(wěn)定的電源，太陽能供電裝置是整個(gè)感知層的基礎(chǔ)模塊圖3感知層結(jié)構(gòu)4.2、紅外二氧化碳檢測裝置部分4.2.1、總體設(shè)計(jì)紅外co2監(jiān)測裝置可以分為三個(gè)組成部分，氣樣采集模塊、紅外分析模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。其中氣樣采集模塊，通過采集環(huán)境中的co2并經(jīng)過干燥過濾減少其他因素對紅外監(jiān)測過程的影響，為后續(xù)分析和

8、測定co2濃度做鋪墊；紅外分析模塊利用非色散紅外氣體分析技術(shù)對co2進(jìn)行濃度分析，由于co2吸收紅外線波譜中固定波段的波長，因此針對該特點(diǎn)觀察通過紅外傳感器就可以輕松地測量出co2濃度，并將得出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳遞給后續(xù)的模塊處理；數(shù)據(jù)采集模塊是以cc2530為核心的單片機(jī)系統(tǒng)，對紅外分析模塊傳輸來的信號(hào)進(jìn)行處理和數(shù)據(jù)的保存、傳輸，同時(shí)根據(jù)處理后的信息再去控制氣樣采集模塊與紅外分析模塊的運(yùn)行。4.2.2、二氧化碳監(jiān)測方法基于紅外的co2監(jiān)測中有以下幾個(gè)方法比較常用：直接吸收檢測法、諧波檢測法、差分吸收檢測法等，通過比較這幾種方法的準(zhǔn)確度，本系統(tǒng)采用的是差分吸收法進(jìn)行co2氣體濃度的監(jiān)測。該方

9、法的原理是：使紅外光源發(fā)出的光纖分別通過兩個(gè)氣室，其中一個(gè)氣室中沒有待測co2氣體，另一個(gè)氣室中存在待測co2氣體，通過對穿過兩個(gè)不同氣室的紅外光線信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測對比，可以直觀的反應(yīng)出co2氣體的濃度。差分吸收法還可以通過單波長雙光路法或者雙波長單光路法實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)中我們使用單波長雙光路法，即同一個(gè)紅外光源發(fā)出的紅外管線被分為兩束，分別進(jìn)入待測二氧化碳?xì)馐液蛥⒖細(xì)馐摇Ｓ捎趦蓺馐覂?nèi)的紅外傳感器相同，紅外光源發(fā)出的光束波動(dòng)同樣相同，器件的漂移、溫度漂移等因素對兩通路的影響相同，待測co2濃度與兩氣室射出光線強(qiáng)度的比值成正比，因此其他因素對信號(hào)的影響就降低了，測量誤差同時(shí)也就降低了，從而提高了檢測精度

10、。圖4單波長雙光路法4.3、數(shù)據(jù)采集模塊4.3.1、cc2530微處理器ti公司推出的cc2530芯片，它不僅具備了數(shù)據(jù)處理、信號(hào)控制的功能，同時(shí)還支持zigbee協(xié)議，可以說是系統(tǒng)感知層中聯(lián)系各環(huán)境因子傳感器、co2紅外檢測儀的中樞神經(jīng)，也是傳輸層中傳送數(shù)據(jù)的終端節(jié)點(diǎn)，起到了非常重要的作用。作為數(shù)據(jù)采集模塊的cc2530芯片，主要應(yīng)用的是它所具備的數(shù)據(jù)處理功能。cc2530芯片內(nèi)部包括了一個(gè)8051微處理器內(nèi)核、256kb閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、8kb隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、高性能rf收發(fā)器。以上這些主要配置可以輕松支持傳感器的接入應(yīng)用，快速準(zhǔn)確的進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)信號(hào)接收、處理、儲(chǔ)存，確保感知層各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集的

11、持續(xù)進(jìn)行。除此之外，使用cc2530芯片可以很方便的進(jìn)行二次開發(fā)，這主要依賴于它諸多的外接接口，其中主要包括了2個(gè)uart、12個(gè)模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器、21個(gè)i/o接口。這樣的配置可以很大程度的保障系統(tǒng)中多種傳感器的接入，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。圖5cc2530芯片外部電路圖4.3.2、數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)co2傳感器采用通過rs-485接口與cc2530微處理器連接的方式，因?yàn)閞s-485接口與cc2530同為ttl電平，兼容性好無需轉(zhuǎn)換，所以只需要將傳感器的數(shù)據(jù)傳輸線(data)與處理器模塊的i/o口相連接，再將傳感器上的時(shí)鐘順序線(sck)接到處理器模塊的i/o接口上，兩個(gè)電源引腳vdd , g

12、nd之間可以加一個(gè)電容用于去耦濾波，在經(jīng)過初始化啟動(dòng)之后就可以正常測量使用了。 涉及到co2紅外監(jiān)測儀器部分，在氣樣采集部分cc2530微處理器通過光源電路對irl715紅外光源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制、調(diào)節(jié)信號(hào)強(qiáng)弱。在紅外監(jiān)測部分則需要先將pir200b型紅外感測器輸出的相對較弱的電信號(hào)進(jìn)行濾波、放大處理，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸給微處理器，除此之外使用差分電路來降低雙通道測量中其他因素的影響，以提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。圖6數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)4.4、太陽能供電部分為了滿足整個(gè)co2監(jiān)測系統(tǒng)在野外環(huán)境中長期工作，本文選擇使用太陽能供電裝置為系統(tǒng)供電。太陽能供電裝置主要包括電池板、控制器、蓄電池和逆變器等幾部分

13、。在使用時(shí)，對于每個(gè)組件的選擇決定于各個(gè)傳感器設(shè)備對工作電壓、電流、功率、頻率的要求。（1）電池板:太陽能電池板主要采用的是晶體硅材料構(gòu)成的太陽能電池陣列，利用光電效應(yīng)把太陽光能量轉(zhuǎn)化為電能，是太陽能供電裝置負(fù)責(zé)發(fā)電的主要器件。（2）控制器:控制器在太陽能供電系統(tǒng)中的作用就像大腦對于人一樣的重要，具有以下功能:分別控制太陽能電池板對蓄電池的充放電和蓄電池對逆變器的充放電;調(diào)節(jié)對蓄電池充電的功率與蓄電池電壓，防止過充電，延長蓄電池壽命;顯示整個(gè)光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài);儲(chǔ)存充放電量及故障情況信息;出現(xiàn)故障情況報(bào)警切斷電源等功能，保障太陽能供電裝置安全穩(wěn)定正常運(yùn)行。（3）蓄電池:蓄電池在供電系統(tǒng)中起到了儲(chǔ)存電能的作用，在野外環(huán)境中由于天氣、晝夜因素的變化，將有太陽光照時(shí)電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存，供陰天、夜晚時(shí)間使用，保障輸出電能的持續(xù)性。此外，蓄電池還可以使系統(tǒng)提供更加平穩(wěn)的電壓，保障輸出電能的質(zhì)量。本系統(tǒng)選用的是鉛酸蓄電池，這種蓄電池使用壽命長、性價(jià)比高、內(nèi)阻小，適合各種環(huán)境使用。（4）逆變器:本系統(tǒng)中各傳感儀器多為低壓直流運(yùn)行，因此