一种基于RS485网络的多组分气体检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于RS485网络的多组分气体检测装置及方法，包括多个气体传感器、MAX485接口模块、MCU控制器、YL‑500IL无线数传模块，MCU控制器的USART1接口与MAX485接口模块连接，MCU控制器的USART2接口与YL‑500IL无线数传模块连接，MAX485接口模块与RS485总线连接，多个气体传感器并行挂载在RS485总线上，所述MAX485接口模块中的电路采用自动收发电路，用于实现信息流的双向传输。本发明专利技术能保证多组分气体传感器采集的数据相互不会干扰，同时能对采集的数据进行稳定的无线传输。

【技术实现步骤摘要】
一种基于RS485网络的多组分气体检测装置及方法
本专利技术涉及一种多组分气体检测装置及方法，具体是一种基于RS485网络的多组分气体检测装置及方法。
技术介绍
由于一些特殊场景需要同时检测多种气体的含量，并且可以通过无线远程传输检测的气体信息。比如：火灾现场，有毒有害气体泄漏现场等对人员有安全威胁的场所。在这些场所，安全、高效、可靠的多组分气体检测设备将具有巨大的优势。目前，检测单一种类的气体传感器有很多，比如：CITY、Alphasense、Honeywell等。但是各个传感器仅具有检测单一气体含量的功能，目前还没有多种气体传感器的集成方案。另外由于现有的电化学气体传感器在测量多组分气体时会出现干扰，所以，开发一种高效、可靠、快速的多组分气体传感器集成方案尤为重要。而实现多组分气体含量的测量及无线传输，主要存在两方面的问题：1)多组分气体传感器网络搭建及后期数据处理时避免相互干扰；2)气体传感器采集到的数据如何进行稳定的无线传输。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于RS485网络的多组分气体检测装置及方法，能保证多组分气体传感器采集的数据相互不会干扰，同时能对采集的数据进行稳定的无线传输。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于RS485网络的多组分气体检测装置，包括多个气体传感器、MAX485接口模块、MCU控制器、YL-500IL无线数传模块，MCU控制器的USART1接口与MAX485接口模块连接，MCU控制器的USART2接口与YL-500IL无线数传模块连接，MAX485接口模块与RS485总线连接，多个气体传感器并行挂载在RS485总线上。进一步，所述MAX485接口模块中的电路采用自动收发电路，用于实现信息流的双向传输。进一步，所述气体传感器为8个。一种基于RS485网络的多组分气体检测方法，具体步骤为：A、基于RS485搭建气体传感器网络；B、设定8个气体传感器的分辨率、地址及校验码；地面站控制系统将修改地址指令无线发送给YL-500IL无线数传模块，并传递给MCU控制器，MCU控制器接收到指令后，根据指令内容按照顺序依次给各个气体传感器发送解锁指令与修改数据指令，完成各个气体传感器的地址修改；地面站控制系统将修改分辨率指令无线发送给YL-500IL无线数传模块，并传递给MCU控制器，MCU控制器接收到指令后，根据指令内容按照顺序依次给各个气体传感器发送解锁指令与修改数据指令，完成各个气体传感器的分辨率修改；上述各个指令的数据帧均带有两个字节的CRC16校验码；C、进行多组分气体检测时，MCU控制器根据修改后的8个气体传感器地址，等时间间隔向MAX485模块发送读取数据指令，MAX485模块采用Modbus-RTU通讯协议对8个气体传感器通过串口空闲中断接收各个气体传感器返回的数据帧，并将数据帧传递给MCU控制器；最后MCU控制器将未经处理的数据通过YL-500IL无线数传模块将数据发送给地面站控制系统；D、地面站控制系统接收到数据后根据不同应用场景所选择的不同气体传感器进行数据建模，然后根据所建数据模型计算得出各个传感器测得的气体浓度值；E、通过卡尔曼滤波算法对步骤D中得出的数据进行滤波处理，最终得出滤波后的真实气体浓度值。进一步，所述步骤D中选择火灾现场气体检测应用场景，具体的过程为：所采用的8个气体传感器分别为：甲烷、氨气、一氧化碳、氯气、苯、硫化氢、氯化氢、氟化氢；由于该场景中有以上8种组分的气体，各种气体间有互相交叉影响，因此各个传感器测量的对应气体浓度显然是不准确的；在固定了气体组分的情况下，可以对已知8种气体浓度的样本进行测量，通过线性神经网络对各组分的气体浓度进行建模；设线性神经网络算法共有3层，分别为输入层、中间层和输出层；输入层分别为甲烷、氨气、一氧化碳、氯气、苯、硫化氢、氯化氢、氟化氢，共8个气体传感器的测量值，输出层分别为甲烷、氨气、一氧化碳、氯气、苯、硫化氢、氯化氢、氟化氢，共8种气体的浓度值，中间层为输入层的调整层，该层为多维回归线性输入，中间层设置公式如下：式(1)中：I满足0≤x1+x2+L+x8≤2；x1、x2、L、x8分别为整数0的组合个数；将上述8种气体传感器用变量X1,X2,L,X8代替，根据式(1)，多组分气体传感器数据融合算法中间层设置一维矩阵：X45×1为45×1的矩阵，分别表示甲烷、氨气、L、氟化氢，共8种气体的浓度测量值，中间层到输出层之间的权值矩阵为W8×45，确定中间层与输出层之间的权值W后，实时测量的传感器采样值利用线性神经网络计算步骤得到浓度输出；每种气体的标定数据分别取7组，即到78组数据，根据式(2)、(3)将标定气体浓度、测量气体浓度归一化。式中为第m个样本神经网络输出、输入归一化值；Xim、Pm为第m个样本第i个传感器的输入、输出标定值；Xmax、Xmin，Pmax、Pmin为传感器输入最大、最小值，输出最大、最小标定值；根据8种气体传感器数据融合算法结构，将线性神经网络整理成如下公式：C8×1＝W8×45X45×1(4)式(4)中xi(i＝1,2,L,45)可由表1中的数据根据一维矩阵X45×1计算可得；wi,j(i＝1,2；j＝1,2,L,45)为线性神经网络权值；ci(i＝1,2,L,8)为神经网络对8种气体浓度的估计值；估计误差为：estim(k)＝Pim-Cim(k)(5)权值调更新：式中：Cim(k)为第k步神经网络第m个样本的输出估计值；Pim为标定点第m个样本输入值，也是神经网络第i个输出的期望输出值；estim(k)为估计误差，第k步神经网络输出估计值与期望输出值之差；wij(k)为第k步时，第j个连接权值；ηij为学习因子；它的选择影响到迭代的稳定性和收敛速度。神经网络的学习步骤是：采用所设计的线性神经网络，将标准样本库中的作为网络的输入，作为网络的输出期望值，根据式(5)、(6)训练wi,j(i＝1,2；j＝1,2,L,45)，权值的初始值选取(-1,1)之间的随机数；将标准样本库中的输入输出数据循序地带入神经网络中，经过多次迭代跟新权值，直到神经网络输出值的估计值误差均方值低于设定值，此时学习过程结束；权值即为神经网络读数据融合系数，为了保证收敛速度和稳定性，在学习过程中，学习因子ηij(i＝1,2；j＝1,2,L,45)取为变数，从0.95变到0.4；进而得到气体浓度测量模型，其中权值矩阵已知W8×45，输入X45×1为待测量(预测)矩阵，模型表达式如式(4)；最后，根据式(3)反归一化，即得到真实的气体浓度。进一步，所述步骤E的具体滤波过程为：由于一氧化碳浓度随时间的变化规律近似于正态分布，因此对步骤D得出的数据进行正态分布拟合：卡尔曼滤波处理的是线性系统模型，用二阶多项式对上述数据进行拟合，得出线性表达式；SCO＝at2+bt+c(8)式中：a、b、c为根据不同应用场景得出的已知数；根据卡尔曼滤波算法，首先需要确定线性系统的状态差分方程和其映射出的测量方程。Xt＝AXt-1+BUt-1+Wt-1(9)Zt＝HXt+Vt(10)X：系统的状态向量；A：转换矩阵；U：系统输入；B：将输入转换为状态的矩阵；W：系统噪声；Z：测量值；H：状态变量到测量值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于RS485网络的多组分气体检测装置，其特征在于，包括多个气体传感器、MAX485接口模块、MCU控制器、YL‑500IL无线数传模块，MCU控制器的USART1接口与MAX485接口模块连接，MCU控制器的USART2接口与YL‑500IL无线数传模块连接，MAX485接口模块与RS485总线连接，多个气体传感器并行挂载在RS485总线上。

【技术特征摘要】
1.一种基于RS485网络的多组分气体检测装置，其特征在于，包括多个气体传感器、MAX485接口模块、MCU控制器、YL-500IL无线数传模块，MCU控制器的USART1接口与MAX485接口模块连接，MCU控制器的USART2接口与YL-500IL无线数传模块连接，MAX485接口模块与RS485总线连接，多个气体传感器并行挂载在RS485总线上。2.根据权利要求1所述的一种基于RS485网络的多组分气体检测装置，其特征在于，所述MAX485接口模块中的电路采用自动收发电路，用于实现信息流的双向传输。3.根据权利要求1所述的一种基于RS485网络的多组分气体检测装置，其特征在于，所述气体传感器为8个。4.一种根据权利要求1所述的基于RS485网络的多组分气体检测方法，其特征在于，具体步骤为：A、基于RS485搭建气体传感器网络；B、设定8个气体传感器的分辨率、地址及校验码；地面站控制系统将修改地址指令无线发送给YL-500IL无线数传模块，并传递给MCU控制器，MCU控制器接收到指令后，根据指令内容按照顺序依次给各个气体传感器发送解锁指令与修改数据指令，完成各个气体传感器的地址修改；地面站控制系统将修改分辨率指令无线发送给YL-500IL无线数传模块，并传递给MCU控制器，MCU控制器接收到指令后，根据指令内容按照顺序依次给各个气体传感器发送解锁指令与修改数据指令，完成各个气体传感器的分辨率修改；上述各个指令的数据帧均带有两个字节的CRC16校验码；C、进行多组分气体检测时，MCU控制器根据修改后的8个气体传感器地址，等时间间隔向MAX485模块发送读取数据指令，MAX485模块采用Modbus-RTU通讯协议对8个气体传感器通过串口空闲中断接收各个气体传感器返回的数据帧，并将数据帧传递给MCU控制器；最后MCU控制器将未经处理的数据通过YL-500IL无线数传模块将数据发送给地面站控制系统；D、地面站控制系统接收到数据后根据不同应用场景所选择的不同气体传感器进行数据建模，然后根据所建数据模型计算得出各个传感器测得的气体浓度值；E、通过卡尔曼滤波算法对步骤D中得出的数据进行滤波处理，最终得出滤波后的真实气体浓度值。5.根据权利要求4所述的基于RS485网络的多组分气体检测方法，其特征在于，所述步骤D中选择火灾现场气体检测应用场景，具体的过程为：所采用的8个气体传感器分别为：甲烷、氨气、一氧化碳、氯气、苯、硫化氢、氯化氢、氟化氢；通过线性神经网络对各组分的气体浓度进行建模；设线性神经网络算法共有3层，分别为输入层、中间层和输出层；输入层分别为甲烷、氨气、一氧化碳、氯气、苯、硫化氢、氯化氢、氟化氢，共8个气体传感器的测量值，输出层分别为甲烷、氨气、一氧化碳、氯气、苯、硫化氢、氯化氢、氟化氢，共8种气体的浓度值，中间层为输入层的调整层，该层为多维回归线性输入，中间层设置公式如下：式(1)中：I满足0≤x1+x2+L+x8≤2；x1、x2、L、x8分别为整数0的组合个数；将上述8种气体传感器用变量X1,X2,L,X8代替，根据式(1)，多组分气体传感器数据融合算法中间层设置一维矩阵：X45×1为45×1的矩阵，L、分别表示甲烷、氨气、L、氟化氢，共8种气体的浓度测量值，中间层到输出层之间的权值矩阵为W8×45，...

【专利技术属性】
技术研发人员：马贺平，李会军，周怡，白烨，
申请(专利权)人：苏州天地衡遥感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32