CN104166380A - 一种复杂环境实时监测车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种专用于复杂环境下的无人实时监测车。具有机动车通用的车轮、底盘、发动机，还具有驱动控制部分和检测部分；车载单片机分别与超声波模块、温度模块、湿度模块、视频模块连接；蓝牙模块接在单片机数据接收和数据发送之间。本发明的优点在于：解决了复杂环境下对泄漏源的探测和实时监测，避免了人员暴露在高危环境下作业，使环境数据的自动实时更新，能在危险环境下短时间内抵达事故现场，获得事故现场的第一手资料，蓝牙技术致力于构建体积小，功耗低，能够深度嵌入到其他设备或随身携带；可以实时处理数据、语音、图像，甚至是视频信息，具有检测方便、实时数据采集传输、费用低廉和测量精度高等优点。

Description

一种复杂环境实时监测车

技术领域

本发明属于环境监测和信号传输技术领域，涉及一种专用于复杂环境下的无人实时监测车。

技术背景

目前，有许多施工作业场合有严重的环境污染和有毒有害气体的泄漏问题，日常的排查工作，往往需要人工进行所需数据并查找泄漏源，这不仅存在着巨大的安全隐患且所测得的数据不具有实时性和全面性，不能为维修工作提供足够的数据支持。

随着技术的进步，如今各单位均改以大型设备定时定点监测重要部位，虽不再需要人员以身涉险，但所采集的数据过于局限于某一点不具有代表性，采集方式也过于单一固定，且所采集的数据不具有实时性，不能让监控人员在第一时间内发现故障并及时采取应急措施，延误了抢修时机。另外监测整套设备体积过大，限制了设备功能的发挥。各功能模块交错造成的容错能力低也是该套设备的不足之处。

在分析前人研究成果与现状的基础上，结合现如今新形势新情况下的要求，需要解决以下问题：

1.现场数据要求实时传输，对复杂环境的实时监控。

2.复杂控制***的小型化、智能化、机动化。

3.各功能模块独立工作，增强***容错能力。

申请专利前，发明者已检索相关专利，未发现相同或类似的公开文献报导。

发明内容

针对上述现有技术状况，本发明的目的在于，提供一种能够解决现场数据实时传输和实时监控、能够增强***容错能力、各功能模块独立工作的小型化、智能化、机动化的专用于复杂环境下的无人实时监测车。

现将本发明技术解决方案叙述如下：

本发明一种复杂环境实时监测车，具有机动车或电动车通用的车轮、底盘、发动机或充电电池，其特征在于：复杂环境的实时监测通过车载单片机、电机驱动电路板、各检测功能模块、无线模块以及车外远距离计算机或手机完成：所述的车载单片机、电机驱动电路板、无线模块以及车外远距离计算机或手机构成复杂环境实时监测车的驱动部分，由车外远距离计算机或手机通过无线模块接收和发射信号到车载单片机，车载单片机传输信号到电机驱动电路板，电机驱动电路板启动和停止车辆驱动机构的转动，实现监测车的驱动；所述的车载单片机、无线模块、各检测功能模块以及车外远距离计算机或手机构成复杂环境实时监测车的检测部分，由车载单片机分别与超声波模块、温湿度模块、视频模块、红外避障模块连接，车载单片机与计算机或手机通过无线模块传输信号；所述的无线模块相当于一个串口，包括发射与接收模块，接在计算机/手机与车载单片机之间(见图1)。

本发明进一步提供一种复杂环境实时监测车，其特征在于：电机驱动电路板接收车载单片机的PWM信号控制速度，接收两个相反的信号控制电机正反转；电机驱动电路板上具有电机驱动器放大电流元器件，以满足长期驱动直流电机需求。

本发明进一步提供一种复杂环境实时监测车，其特征在于：所述的车载单片机接收各模块所输入的电信号、图像视频信号、无线蓝牙信号以及电机控制信号；各模块分别与红外传感器、温湿度传感器、超声传感器、气体传感器相连接(参见图1)。

本发明进一步提供一种复杂环境实时监测车，其特征在于：所述的超声波模块包括发射电路、超声波探头、接收电路；超声波模块采用IO触发测距，给至少10u s的高电平信号；超声波模块自动发送8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离＝(高电平时间*声速(340m/s)/2)。监测车上超声波模块触发的控制端、接收端分别与车载单片机主板SPI通信接口52、53相连，测距精度为0.1mm(参见图2)。

本发明进一步提供一种复杂环境实时监测车，其特征在于：所述的温湿度传感器模块包括一个电阻式感湿元件和一个测温元件；电阻式感湿元件的电阻值随湿度的变化而变化，从而造成电流的变化，使湿度的测量的以实现；测温元件利用热敏电阻随温度的特性，实现对温度的测量，它的串行数据，温湿度传感器模块总线与车载单片机的A9端口相连(参见图3、4、10)。

本发明进一步提供一种复杂环境实时监测车，其特征在于：所述的红外避障模块与车载单片机端口A14相连，其工作原理是当检测到障碍物时，红外光敏二极管接收到反射回来红外光，其输出立即发生高低电平转换，该信号经放大器放大后送到车载单片机主板进行分析处理；然后将处理后的结果发送到电机驱动电路板，进行校正；控制其向右转，向左转和后退；避障灵敏度高，只要小车前方有障碍物，红外线通过障碍物反射到光敏管，传感器输出低电平，发送到单片机进行处理，然后单片机处理后驱动电机驱动模块去控制小车运行和方向(参见图8、9、10)。

本发明进一步提供一种复杂环境实时监测车，其特征在于：所述的气体模块是NO₂浓度传感器，与车载单片机的AO端口相连；由微型AL₂O₃陶瓷管、SnO₂敏感层、测量电极加热器构成，固定在不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件；气体在半导体表面的氧化还原反应，导致敏感元件阻值变化，随后气体浓度信号通过气敏元件转换为电量信号，由无线模块传输到车载单片机进行分析和处理(参见图5、、10)。

本发明进一步提供一种复杂环境实时监测车，其特征在于：所述的视频模块是一个无线摄像头，通过视频转化器将摄像头采集的图像资料通过无线发射接收模块传输到计算机屏幕，从而达到查看前方路况的目的(参见图6)。

本发明的优点在于：

(1)、本设计基于无线控制及多种传感器配合使用的实时监测车，解决了复杂环境下，对推进剂泄漏源的探测和实时监测，避免了技术人员暴露在高危环境下作业，确保了人身安全，提高了环境数据的自动化实时更新。随着信息化的迅速发展，智能化逐渐代替人为作业，该监测车将会有更宽广的应用前景。

(2)采取以Arduino Mega2560车载单片机主板、超声波模块、温湿度传感器模块、气敏传感器模块、红外避障模块以及视频采集模块为主要原件设计的复杂环境实时监测车，能在危险环境下短时间内抵达事故现场，获得事故现场的第一手资料，同时实时、灵活地对事故地点进行监控，从而为后续维修工作的展开提供足够的数据支持。该***具有检测方便、实时数据采集传输、费用低廉和测量精度高等优点。

(3)、蓝牙技术致力于构建体积小，功耗低，并能够深度嵌入到其他设备或随身携带的产品；使用蓝牙技术可以实时处理数据、语音、图像，甚至是视频信息。

(4)车载单片机主板是Arduino Mega2560，核心是AVR的单片机，具有多达54路数字输入输出，特别适合需要大量I/O接口的设计。

附图说明

图1：本发明方案原理方框图

图2：超声波测距原理示意图

图3：温湿度原理示意图

图4：温湿度模块电路图

图5：气敏传感器原理示意图

图6：视频采集模块电路图

图7：无线模块电路图

图8：红外避障流程示意图

图9：红外避障电路原理图

图10：车载单片机电路原理图

具体实施方式

现结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明

参见图1：驱动控制和检测功能的实现；本发明的驱动控制部分由计算机或手机的蓝牙装置通过无线模块接收和发射信号到车载单片机主板，车载单片机主板传输信号到电机驱动电路板，电机驱动电路板启动和停止驱动机构的运动；本发明的检测由计算机或手机的蓝牙装置通过无线模块传输信号到车载单片机主板，车载单片机主板分别与超声波模块、温湿度模块、视频模块连接。本发明各种功能实现的计算机软件用Wiring语言编写。

参见图2：超声波测距功能的实现。超声波是指频率高于20kHz的机械波。为了将超声波作为检测手段，必须有产生和接收超声波的装置，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器分为发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化。利用了超声波测距的原理，超声波发射器向某一反向发射超声波，在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中遇到障碍物反射回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v＝340m·s^-1，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s＝vt/2。随着控制技术研究的不断深入，装置对距离的测量要求越来越高，本超声波模块的测距精度为±0.1mm。

参见图3、4：温度测量功能的实现。温湿度传感器模块包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。电阻式感湿元件的电阻值随湿度的变化而变化，从而造成电流的变化，使湿度的测量的以实现。NTC测温元件利用热敏电阻随温度的特性，实现对温度的测量。

参见图5：气体测量功能的实现。气敏元件由微型AL₂O₃陶瓷管、SnO₂敏感层、测量电极加热器构成，固定在不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。非电量信号(气体)通过气敏元件转换为电量信号，由无线模块传输到计算机进行分析和处理。

参见图6：视频采集功能的实现。图像资料由监测车上的摄像头采集，通过无线模块传输到计算机，实现现场环境的实时监控。采用的无线袖珍摄像头占用体积小，重量轻，易于携带且低能耗，采集图像本领强，既有利于观察现场环境，又利于控制小车到达指定区域。

参见图7：无线模块包括发射与接收功能的实现。蓝牙(Blue tooth)是一种全球开放性的、低成本的无线通信规范。另外，由于蓝牙具有传输距离远，抗干扰能力强、功耗低、传输速率高的优点。本发明采用蓝牙以及手机多方式实现无线通讯模式。无线模块相当于一个串口，接在单片机数据接收和数据发送之间。

参见图8、9：红外避障功能的实现。当检测到障碍物时，红外光敏二极管接收到反射回来红外光，其输出立即发生高低电平转换，该信号经放大器放大后送到单片机进行分析处理。然后将处理后的结果发送到电机驱动电路板，进行校正。控制其向右转，向左转和后退。避障灵敏度高，只要小车前方有障碍物，红外线通过障碍物反射到光敏管，传感器输出低电平，发送到单片机进行处理，然后单片机处理后驱动电机驱动电路板去控制小车运行和方向。红外避障设计流程图。

参见图10：车载单片机是Arduino Mega2560，核心是AVR的单片机，具有多达54路数字输入输出，特别适合需要大量I/O接口的设计。车载单片机主板负责接收各种传感器(红外传感器、温湿度传感器、超声传感器、气体传感器)的电信号、图像视频信号、无线蓝牙信号以及电机控制信号。电机驱动电路板主要作用是驱动车体电机，单片机I/O输出电流太小不能长期驱动直流电机，必须用电机驱动器放大电流，电机驱动板接收单片机的PWM信号控制速度，接收两个相反的信号控制电机正反转。

Claims (8)

1.一种复杂环境实时监测车，具有机动车或电动车通用的车轮、底盘、发动机或充电电池，其特征在于：复杂环境的实时监测通过车载单片机、电机驱动电路板、各检测功能模块、无线模块以及车外远距离计算机或手机完成；所述的车载单片机、电机驱动电路板、无线模块以及车外远距离计算机或手机构成复杂环境实时监测车的驱动部分，由车外远距离计算机或手机通过无线模块接收和发射信号到车载单片机，车载单片机传输信号到电机驱动电路板，电机驱动电路板启动和停止车辆驱动机构的转动，实现监测车的驱动；所述的车载单片机、无线模块、各检测功能模块以及车外远距离计算机或手机构成复杂环境实时监测车的检测部分，由车载单片机分别与超声波模块、温湿度模块、视频模块、红外避障模块连接，车载单片机与计算机或手机通过无线模块传输信号；所述的无线模块相当于一个串口，包括发射与接收模块，接在计算机/手机与车载单片机之间。

2.根据权利要求1所述的一种复杂环境实时监测车，其特征在于：电机驱动电路板接收车载单片机的PWM信号控制速度，接收两个相反的信号控制电机正反转；电机驱动电路板上具有电机驱动器放大电流元器件，以满足长期驱动直流电机需求。

3.根据权利要求2所述的一种复杂环境实时监测车，其特征在于：所述的车载单片机接收各模块所输入的电信号、图像视频信号、无线蓝牙信号以及电机控制信号；各模块分别与红外传感器、温湿度传感器、超声传感器、气体传感器相连接。

4.根据权利要求3所述的一种复杂环境实时监测车，其特征在于：所述的超声波模块包括发射电路、超声波探头、接收电路；超声波模块采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；超声波模块自动发送8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离＝高电平时间*声速；监测车上超声波模块触发的控制端、接收端分别与车载单片机主板SPI通信接口52、53相连。

5.根据权利要求4所述的一种复杂环境实时监测车，其特征在于：所述的温湿度传感器模块包括一个电阻式感湿元件和一个测温元件；电阻式感湿元件的电阻值随湿度的变化而变化，从而造成电流的变化，使湿度的测量的以实现；测温元件利用热敏电阻随温度的特性，实现对温度的测量，它的串行数据，温湿度传感器模块总线与车载单片机的A9端口相连。

6.根据权利要求5所述的一种复杂环境实时监测车，其特征在于：所述的红外避障模块与车载单片机端口A14相连；红外光敏二极管接收到反射回来红外光，其输出立即发生高低电平转换，该信号经放大器放大后送到车载单片机主板进行分析处理；然后将处理后的结果发送到电机驱动电路板，进行校正；控制其向右转，向左转和后退；小车前方的障碍物，由红外线通过障碍物反射到光敏管，传感器输出低电平，发送到单片机进行处理，然后单片机处理后驱动电机驱动模块去控制小车运行和方向。

7.根据权利要求6所述的一种复杂环境实时监测车，其特征在于：所述的气体模块是NO₂浓度传感器，与车载单片机的AO端口相连；由微型AL₂O₃陶瓷管、SnO₂敏感层、测量电极加热器构成，固定在不锈钢制成的腔体内；气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化，随后气体浓度信号通过气敏元件转换为电量信号，由无线模块传输到车载单片机进行分析和处理。

8.根据权利要求7所述的一种复杂环境实时监测车，其特征在于：所述的视频模块是一个无线摄像头，通过视频转化器将摄像头采集的图像资料通过无线发射接收模块传输到计算机屏幕，从而达到查看前方路况的目的。