技术领域
[0001] 本
发明属于污染物监测领域，特别涉及一种污染物排放监测装置及系统。本发明提供一种包含多种数据传输方式、适用于多种应用场景的污染物排放监测系统，实现染物排放的实时监测、网络发布和超限提醒。
背景技术
[0002] 环境污染问题自80年代以来影响日益突出，已成为不可忽视的全球性问题。通过对污染物排放进行监测能够得到最直接的污染排放情况，为环境管理、污染源控制、环境规划提供科学依据。
[0003] 现有的污染物排放监测技术主要有人工定期监测和在线监测。人工监测方式是定期安排人员到污染物排放点进行取样和检测，然后将检测结果上报。而在线监测方式则是通过监测装置自动对被测量进行连续检测，然后通过通信网络上传监测结果。
[0004] 人工监测方式数据上报延迟大，
采样频率低，无法得到短时间内的污染物排放变化趋势，而且容易引入人为误差。在环境恶劣和
位置偏远地区难以通过人工方式实施监测。而现有的污染物排放在线监测装置网络功能比较单一，往往只针对特定应用场合。如果需要进行监测的污染物种类多、范围大、监测点分布不均，则现有在线监测系统难以应对。
发明内容
[0005] 本发明针对上述
缺陷公开了一种污染物排放监测装置及系统，提供了一种组网灵活、广泛适用的分布式实时污染物排放监测装置及系统，实现了对多种监测部署场景的系统整合。
[0006] 一种污染物排放监测装置为完整污染物排放监测装置、第1独立监测装置、第1协作监测装置或第1汇聚
节点监测装置；
[0007] 完整污染物排放监测装置的结构如下：传感单元、
接口电路和处理器依次
串联连接，处理器分别连接现场通信模
块、远程通信模块、时钟芯片和
存储器，电源的一端接外接电源，另一端分别连接传感单元、接口电路、处理器、现场通信模块、远程通信模块、时钟芯片和存储器；
[0008] 第1独立监测装置是在完整污染物排放监测装置中去掉现场通信模块而形成的装置；第1独立监测装置通过远程通信模块直接向
数据中心发送监测数据；
[0009] 第1协作监测装置是在完整污染物排放监测装置中去掉远程通信模块而形成的装置；第1协作监测装置通过现场通信模块向第1汇聚节点监测装置传输监测数据；
[0010] 第1汇聚节点监测装置或者与完整污染物排放监测装置具有相同的结构，或者是在完整污染物排放监测装置中去掉传感单元和接口电路而形成的装置。
[0011] 所述传感单元用于检测被测污染物，将被测量转换为电
信号输出；传感单元为敏感元件、
传感器或变送器；
[0012] 所述接口电路用于将传感单元的
输出信号调理、转化为能够被处理器处理的
数字信号；接口电路包括
电压信号接口电路、
电流信号接口电路、频率信号接口电路和串行数字信号接口电路。
[0013] 所述电压信号接口电路由滤波电路、放大电路和
模数转换电路依次串联构成；滤波电路将电压信号中的干扰和噪声滤除；放大电路改变电压信号的幅值，并减小信号的输出阻抗从而减轻后续电路对输入电压信号的影响；模数转换电路将经过前级调理后的模拟电压信号转换为数字信号；模数转换电路的输出数字信号采用串行或并行方式接入处理器；
[0014] 所述电流信号接口电路是在电压接口电路的前端增加电流-电压转换电路而形成的，电流信号接口电路首先将电流信号转化为电压信号，再按照电压信号接口电路对转换后的电压信号进行调理和转换。
[0015] 所述频率信号接口电路由滤波电路、电压转换电路和定时/计数电路依次串联构成；滤波电路将频率信号中的干扰和噪声滤除；电压转换电路将输入频率信号电压转换为与计数器匹配的电压；定时/计数电路用于计算频率信号的频率值。定时/计数电路输出数字信号接入处理器。
[0016] 所述串行数字信号接口电路由电平转换电路和电压隔离环节构成；电平转换电路用于将输入串行信号电平转换为与处理器匹配的电平；电压隔离电路用于对传感单元和处理器的信号进行隔离，防止其相互干扰。
[0017] 所述现场通信模块用于在污染物排放监测装置之间传输数据；现场通信模块为ZigBee通信模块或CAN通信模块；ZigBee通信模块用于组建
无线传感器网络，实现距离在100m以内、通信能耗在100mW以下的多跳无线通信；所述CAN通信模块用于通过CAN总线以有线方式传输现场监测数据；
[0018] 所述远程通信模块用于在污染物排放监测装置与数据中心之间传输监测数据，远程通信模块为GSM/GPRS通信模块或以太网通信模块；
[0019] 所述GSM/GPRS通信模块通过GPRS网络连接到互联网，并与数据中心建立连接，以无线方式向数据中心传输监测数据；此外，当监测数据超过预先设定的报警
阈值时，GSM/GPRS通信模块可以通过GSM网络向短信接收终端发送报警短信；所述以太网通信模块通过第二以太网与数据中心建立连接，以有线方式向数据中心传输数据。
[0020] 所述时钟芯片执行计时操作，提供包含当前日期和时间的时标信息；
[0021] 所述存储器用于存储处理器程序、监测数据和报警阈值；
[0022] 所述处理器管理现场通信模块、远程通信模块、传感单元、接口电路、时钟芯片和存储器，并且对监测数据进行处理；
[0023] 当传感单元通过接口电路将监测数据传递到处理器时，处理器从时钟芯片读取时标信息，并将时标信息添加到监测数据尾部，然后将添加了时标的监测数据存储进存储器，并通过现场通信模块或远程通信模块发送；
[0024] 所述电源将外接电源变换为装置各部分电路所需工作电压，装置各部分电路为传感单元、接口电路、处理器、现场通信模块、远程通信模块、时钟芯片和存储器；
[0026] 所述现场通信模块、远程通信模块都能够采用插接方式安装在
电路板上，具体是指：在电路板上安装插座，而在现场通信模块和远程通信模块安装插针，将现场通信模块或远程通信模块的插针插入对应插座；
[0027] 在不需要现场通信模块或远程通信模块时，将现场通信模块或远程通信模块从电路板拔下。
[0028] 一种污染物排放监测系统的结构如下：第1独立监测装置至第N独立监测装置、第1汇聚节点监测装置至第M汇聚节点监测装置通过网络与数据中心建立连接；数据中心与第1监管用户终端至第L监管用户终端通过第一以太网连接，第i汇聚节点监测装置通过其现场通信模块分别与第1协作监测装置至第Ki协作监测装置进行通信，i取1-M；M取大于等于1，N取大于等于1，L取大于等于1，Ki取大于等于3；
[0029] 所述网络为GSM/GPRS网络或第二以太网，当网络为GSM/GPRS网络时，短信接收终端与网络连接；
[0030] 第2独立监测装置至第N独立监测装置均与第1独立监测装置具有相同的结构；
[0031] 第2协作监测装置至第Ki协作监测装置均与第1协作监测装置具有相同的结构；
[0032] 第2汇聚节点监测装置至第M汇聚节点监测装置均与第1汇聚节点监测装置具有相同的结构。
[0033] 所述第1独立监测装置至第N独立监测装置、第1协作监测装置至第Ki协作监测装置以及第1汇聚节点监测装置至第M汇聚节点监测装置都部署在监测现场，用于监测污染物排放并向数据中心传输监测数据；
[0034] 在分散部署的监测点配备独立监测装置，分散部署的监测点与其他监测点相距500m以上；第1独立监测装置至第N独立监测装置直接通过网络向数据中心传输监测数据；
[0035] 在密集部署的监测点配备协作监测装置和汇聚节点监测装置，密集部署的监测点与其他监测点相距500m以内；第1协作监测装置至第Ki协作监测装置与第i汇聚节点监测装置通过ZigBee网络构成传感器网络，或通过CAN总线连接，传输现场监测数据；第i汇聚节点监测装置通过无线传感器网络或CAN总线收集第1协作监测装置至第Ki协作监测装置的监测数据并通过网络向数据中心传输。
[0036] 所述数据中心面向互联网或第二以太网建立
服务器，与第1独立监测装置至第N独立监测装置以及第1汇聚节点监测装置至第M汇聚节点监测装置建立TCP连接，接收上传的监测数据；然后建立
数据库，将监测数据存储在数据库中，最后通过第一以太网发布监测数据。
[0037] 所述第1监管用户终端至第L监管用户终端均接收数据中心所发布的监测数据并通过
用户界面进行显示。
[0038] 本发明的有益效果为：
[0039] 1)所述监测装置具有多种类型的接口电路，包括电压接口、电流接口、频率信号接口和串行数字接口，能够接入各种常见类型的污染物传感元件或装置。
[0040] 2)装置的结构和功能可裁剪，可根据需要设置现场通信模块和远程传输模块等
硬件，构成适应于分散部署的独立监测装置，或适应于多点监测、密集部署的协作监测装置和汇聚节点监测装置。
[0041] 3)系统可以采用多种通信和组网方式，包括有线和无线、短程和远程，适用于多种污染物排放监测场景。对于分散部署的场景，使用GPRS或以太网方式直接传输监测数据；对于密集部署的场景，使用ZigBee协议构成传感器网络或使用CAN协议构成CAN总线收集现场数据。
[0042] 4)具有超限提醒功能。当污染物排放超标时能够直接向管理人员手机发送报警短信，便于及时处理污染事件。
[0043] 5)采用数据库存储监测数据，便于数据的管理和利用。通过以太网发布监测结果，可以在任何联网计算机通过客户端程序观察监测数据，方便管理人员对污染物排放的管理。
[0044] 6)系统可扩展性强，所述汇聚节点监测装置不但能够接入所述的协作监测装置，还能够接入其他具有ZigBee或CAN通信功能的检测器。采用不同的传感单元或检测器可以构成针对不同监测对象的污染物排放监测系统，如污
水排放监测系统、废气排放监测系统等。
附图说明
[0045] 图1a为完整污染物排放监测装置的结构示意图；
[0046] 图1b为第1独立监测装置的结构示意图；
[0047] 图1c为第1协作监测装置的结构示意图；
[0048] 图1d为第1汇聚节点监测装置的一种结构示意图；
[0049] 图2a为电压信号接口电路的结构示意图；
[0050] 图2b为电流信号接口电路的结构示意图；
[0051] 图2c为电流-电压转换电路的结构示意图；
[0052] 图2d为频率信号接口电路的结构示意图；
[0053] 图2e为串行数字信号接口电路的结构示意图；
[0054] 图3a为污染物排放监测系统的结构示意图；
[0055] 图3b为污染物排放监测系统的第一
实施例示意图；
[0056] 图3c为污染物排放监测系统的第二实施例示意图；
[0057] 图4为污染物排放监测装置的一个实施例的示意图。
具体实施方式
[0058] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0059] 一种污染物排放监测装置为完整污染物排放监测装置、第1独立监测装置、第1协作监测装置或第1汇聚节点监测装置；
[0060] 如图1a所示，完整污染物排放监测装置的结构如下：传感单元、接口电路和处理器依次串联连接，处理器分别连接现场通信模块、远程通信模块、时钟芯片和存储器，电源的一端接外接电源，另一端分别连接传感单元、接口电路、处理器、现场通信模块、远程通信模块、时钟芯片和存储器；
[0061] 如图1b所示，第1独立监测装置是在完整污染物排放监测装置中去掉现场通信模块而形成的装置；第1独立监测装置用于分散部署的监测点，通过远程通信模块直接向数据中心发送监测数据；
[0062] 如图1c所示，第1协作监测装置是在完整污染物排放监测装置中去掉远程通信模块而形成的装置；第1协作监测装置用于集中部署的监测点，通过现场通信模块向第1汇聚节点监测装置传输监测数据；
[0063] 第1汇聚节点监测装置或者与完整污染物排放监测装置具有相同的结构，或者是在完整污染物排放监测装置中去掉传感单元和接口电路而形成的装置，如图1d所示。
[0064] 传感单元用于检测被测污染物，将被测量转换为
电信号输出；传感单元为敏感元件、传感器或变送器；
[0065] 接口电路用于将传感单元的输出信号调理、转化为能够被处理器处理的数字信号；接口电路包括电压信号接口电路、电流信号接口电路、频率信号接口电路和串行数字信号接口电路。
[0066] 如图2a所示，电压信号接口电路由滤波电路、放大电路和模数转换电路依次串联构成；滤波电路将电压信号中的干扰和噪声滤除；放大电路改变电压信号的幅值使之易于处理，并减小信号的输出阻抗从而减轻后续电路对输入电压信号的影响；模数转换电路将经过前级调理后的模拟电压信号转换为数字信号；模数转换电路的输出数字信号采用串行或并行方式接入处理器；
[0067] 电流信号由于不受传输回路
电阻的影响，抗干扰性能比较强，因此主流变送器常采用电流信号作为输出信号。如图2b所示，所述电流信号接口电路是在电压接口电路的前端增加电流-电压转换电路而形成的，电流信号接口电路首先将电流信号转化为电压信号，再按照电压信号接口电路对转换后的电压信号进行调理和转换。
[0068] 如图2c所示为电流信号接口电路中的电流-电压转换电路的一个实施例：
[0069] 该电路采用
运算放大器11实现电流-电压的转换，
运算放大器11的输出端依次通过第一反馈电阻R1b和第二反馈电阻R1a接到负输入端，运算放大器11的负输入端接输入电流Iin；运算放大器11的正输入端依次通过第一匹配电阻R2a和第二匹配电阻R2b连接到地电位，其中R1a＝R2a，R1b＝R2b；该电路的
输出电压Uout与输入电流Iin的关系如下：Uout＝-(R1a+R1b)×Iin
[0070] 如图2d所示，频率信号接口电路由滤波电路、电压转换电路和定时/计数电路依次串联构成；滤波电路将频率信号中的干扰和噪声滤除；电压转换电路将输入频率信号电压转换为与计数器匹配的电压；定时/计数电路用于计算频率信号的频率值。定时/计数电路输出数字信号接入处理器。
[0071] 某些检测装置(传感单元)已经集成了信号调理和转换电路，可以直接输出串行数字信号。如图2e所示，所述串行数字信号接口电路由电平转换电路和电压隔离环节构成；电平转换电路用于将输入串行信号电平(串行数字
信号传输方式包括RS232和RS485)转换为与处理器匹配的电平；电压隔离电路用于对传感单元和处理器的信号进行隔离，防止其相互干扰。
[0072] 现场通信模块用于在污染物排放监测装置之间传输数据；现场通信模块为ZigBee通信模块或CAN通信模块；ZigBee通信模块用于组建无线传感器网络，实现距离在100m以内、通信能耗在100mW以下的多跳无线通信(通过多点接
力的方式进行无线数据传输)；所述CAN通信模块用于通过CAN总线以有线方式传输现场监测数据；
[0073] 远程通信模块用于在污染物排放监测装置与数据中心之间传输监测数据，远程通信模块为GSM/GPRS通信模块或以太网通信模块；
[0074] GSM/GPRS通信模块通过GPRS网络连接到互联网，并与数据中心建立连接，以无线方式向数据中心传输监测数据；此外，当监测数据超过预先设定的报警阈值时，GSM/GPRS通信模块可以通过GSM网络向短信接收终端发送报警短信；所述以太网通信模块通过第二以太网与数据中心建立连接，以有线方式向数据中心传输数据。
[0075] 时钟芯片执行计时操作，提供包含当前日期和时间的时标信息；
[0076] 存储器用于存储处理器程序、监测数据和报警阈值；
[0077] 处理器管理现场通信模块、远程通信模块、传感单元、接口电路、时钟芯片和存储器，并且对监测数据进行处理；
[0078] 当传感单元通过接口电路将监测数据传递到处理器时，处理器从时钟芯片读取时标信息，并将时标信息添加到监测数据尾部，然后将添加了时标的监测数据存储进存储器，并通过现场通信模块或远程通信模块发送；
[0079] 电源将外接电源变换为装置各部分电路所需工作电压，为污染物排放监测装置的各部分供电；，装置各部分电路为传感单元、接口电路、处理器、现场通信模块、远程通信模块、时钟芯片和存储器；
[0080] 外接电源是220V交流电源或电池。
[0081] 现场通信模块、远程通信模块都能够采用插接方式安装在电路板上，具体是指：在电路板上安装插座，而在现场通信模块和远程通信模块安装插针，将现场通信模块或远程通信模块的插针插入对应插座；
[0082] 在不需要现场通信模块或远程通信模块时，将现场通信模块或远程通信模块从电路板拔下。
[0083] 如图3a所示，一种污染物排放监测系统的结构如下：第1独立监测装置至第N独立监测装置、第1汇聚节点监测装置至第M汇聚节点监测装置通过网络与数据中心建立连接；数据中心与第1监管用户终端至第L监管用户终端通过第一以太网连接，第i汇聚节点监测装置通过其现场通信模块分别与第1协作监测装置至第Ki协作监测装置进行通信，i取1-M；M取大于等于1，N取大于等于1，L取大于等于1，Ki取大于等于3；
[0084] 所述网络为GSM/GPRS网络或第二以太网，当网络为GSM/GPRS网络时，短信接收终端与网络连接；
[0085] 第2独立监测装置至第N独立监测装置均与第1独立监测装置具有相同的结构；
[0086] 第2协作监测装置至第Ki协作监测装置均与第1协作监测装置具有相同的结构；
[0087] 第2汇聚节点监测装置至第M汇聚节点监测装置均与第1汇聚节点监测装置具有相同的结构。
[0088] 第1独立监测装置至第N独立监测装置、第1协作监测装置至第Ki协作监测装置以及第1汇聚节点监测装置至第M汇聚节点监测装置都部署在监测现场，用于监测污染物排放并向数据中心传输监测数据；
[0089] 根据应用场景的不同，污染物排放监测装置可以有不同的结构形式和组网方式。
[0090] 在分散部署的监测点配备独立监测装置，分散部署的监测点与其他监测点相距500m以上；第1独立监测装置至第N独立监测装置直接通过网络直接向数据中心传输监测数据(GSM/GPRS模块进行长距离无线通信，通过GPRS网络连接到互联网，直接向数据中心传输监测数据)；
[0091] 在密集部署的监测点配备协作监测装置和汇聚节点监测装置，密集部署的监测点与其他监测点相距500m以内；第1协作监测装置至第Ki协作监测装置与第i汇聚节点监测装置通过ZigBee网络12构成传感器网络，或通过CAN总线13连接，传输现场监测数据；第i汇聚节点监测装置通过无线传感器网络或CAN总线13收集第1协作监测装置至第Ki协作监测装置的监测数据并通过网络向数据中心传输。
[0092] 数据中心面向互联网或第二以太网建立服务器，与第1独立监测装置至第N独立监测装置以及第1汇聚节点监测装置至第M汇聚节点监测装置建立TCP连接，接收上传的监测数据；然后建立数据库，将监测数据存储在数据库中，最后通过第一以太网发布监测数据。数据中心可以是具有网络服务器功能且配备了
大容量存储设备的计算机。
[0093] 第1监管用户终端至第L监管用户终端可以是具有网络接口的计算机；第1监管用户终端至第L监管用户终端均接收数据中心所发布的监测数据并通过用户界面进行显示。管理人员可以通过用户界面观察污染物排放的实时数据。
[0094] 短信接收终端接收第1独立监测装置至第N独立监测装置以及第1汇聚节点监测装置至第M汇聚节点监测装置通过GSM网络发送的短信。
[0095] 在本发明的工作过程中，预先设定污染物监测阈值并存储在污染物排放监测装置的存储器中，当监测数据超过该阈值时，独立监测电路或汇聚节点监测电路通过GSM/GPRS模块向短信接收终端发送报警短信。该短信接收终端可以是污染物排放管理人员的手机。
[0096] 污染物排放监测装置的实施例1：
[0097] 如图4所示，CC2530芯片内包含一个
微处理器和一个ZigBee收发器(符合ZigBee标准的无线射频收发器)，CC2530芯片与GSM/GPRS通信模块之间通过第一串口1交换数据，CC2530芯片的一个输出口与GSM/GPRS通信模块通过控制线4相连，CC2530芯片通过SPI接口3分别连接非易失存储器和时钟芯片，流量计的输出为485信号，该信号经过485接口进行电平变换后接入CC2530的第二串口2。
[0098] CC2530芯片可以同时作为处理器和ZigBee通信模块。而且使用CC2530芯片能够更方便地实现装置的可裁剪功能，当装置需要具有ZigBee通信功能时，可向CC2530加载带有协议栈的程序；当装置不需要具有ZigBee通信功能时，可向CC2530加载不带协议栈的程序。
[0099] 本实施例使用具有串口和工作方式控制引脚的GSM/GPRS通信模块。CC2530芯片与GSM/GPRS通信模块之间通过串口1交换数据。此外，CC2530芯片的一个输出口与GSM/GPRS通信模块控制引脚相连，CC2530芯片通过改变该输出口的状态可以控制GSM/GPRS通信模块工作在GPRS数据传输或GSM短信发送状态。GSM/GPRS通信模块采用插接方式连接到电路板上，以便于灵活取舍。
[0100] CC2530芯片内具有64K的存储空间，可以作为程序和数据存储器。此外，在片外扩展一片非易失存储器芯片，可用于存储报警阈值等较为关键的参数。存储在非易失存储器中的参数即使在装置掉电时也不会丢失。
[0101] SPI接口是一种主从式的串行外设接口，CC2530芯片作为SPI通信的主机，非易失存储器和时钟芯片作为从机。CC2530芯片输出
时钟信号和片选信号，从而可以选择性地和非易失存储器或时钟芯片交换数据。
[0102] 该实施例使用电池供电。电池电压经过DC-DC电压变换芯片变换成较
低电压，然后经过线性稳压器输出纹波较小的电压，作为装置其他部分(CC2530芯片、GSM/GPRS通信模块、非易失存储器、时钟芯片、流量计和485接口)的电源。
[0103] 该实施例的敏感元件为流量计，用于检测污水排放流量。流量计的输出为485信号，该信号经过485接口进行电平变换后接入CC2530的串口2。
[0104] 污染物排放监测装置的实施例2：
[0105] 在该实施例中，所述流量计输出信号为4～20mA的电流信号。所述接口电路为电压-电流转换电路与模数转换电路的组合。
[0106] 污染物排放监测装置的实施例3：
[0107] 在该实施例中，提供了一种废气浓度监测装置，在该实施例中，所述的敏感元件为气体浓度检测器，其输出信号为电压信号，所述接口电路为模数转换电路。
[0108] 污染物排放监测装置的实施例4：
[0109] 在该实施例中，ZigBee通信模块和GSM/GPRS模块均采用插接方式连接到装置电路板上。即在装置电路板上安装插座，而在ZigBee通信模块和GSM/GPRS模块上安装插针，通过将ZigBee通信模块或GSM/GPRS模块插针插入对应插座即可实现其与污染物排放监测装置其他部分电路的连接。当不需要ZigBee通信模块或GSM/GPRS模块时可以方便地将其拔下。通过这种连接方式能够实现ZigBee通信模块和GSM/GPRS模块的灵活取舍。
[0110] 污染物排放监测系统的实施例1：
[0111] 如图3b所示，在该实施例中，网络为GSM/GPRS网络，GSM/GPRS网络通过互联网与数据中心连接，GSM/GPRS网络还与短信接收终端连接。
[0112] 污染物排放监测系统的实施例2：
[0113] 如图3c所示，在该实施例中，网络为第二以太网。
[0114] 污染物排放监测系统的实施例3：
[0115] 在该实施例中，系统的监测对象包括污水排放的流量以及SO2气体排放浓度。其中，污水排放口分布于各个厂房，距离较远；而多个SO2气体浓度监测点密集分布在
锅炉烟囱附近。因此在污水排放口部署独立监测装置，以流量计为其敏感元件，直接通过GPRS方式向数据中心传输监测数据；而在SO2气体浓度监测点采用传感节点和汇聚节点构成传感器网络，由汇聚节点通过ZigBee协议收集监测数据，然后以GPRS方式向数据中心传输监测数据，以SO2浓度检测器为传感节点的敏感元件。
