二氧化碳数据采集仪副本.docx

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二氧化碳数据采集仪副本

1、研究背景

随着现在社会的进步发展，人类在对于自然开发利用的同时排放除了大量的温室气体，导致全球变暖。

自1750年工业化进程开始以来，由于大量使用化石燃料、毁林和改变土地用途，大量的温室气体排放导致二氧化碳在大气中的浓度增加了39%。

而近百年来全球的地表平均气温上升了0.3~0.6摄氏度，海平面上升、极端天气现象发生的频率强度大大增加等一系列变化都使原本保障着生命体存在的温室气体逐渐威胁到了人类的生存和发展。

目前我国是全球第二大二氧化碳气体排放国，排放量约占全球总和的15%。

按此情形发展下去，预计到2025年我国的排放总量将超越美国，成为世界第一大排放国。

为了减少CO2的排放，控制全球变暖的趋势，人类一直在从不同层面探索解决问题的方案，如研发新技术、实施有效政策、颁布强制法规法令等。

通过持续不断的研究以及国际间的合作，CO2的捕获与封存（CCS）技术逐渐成为了研究热点和减少碳排放的重要选择方案，作为一项能将CO2从工业生产中分离，并将其储存在地下或海底，实现与空气隔绝的碳储存技术，CCS技术能够从根本上解决二氧化碳的控制问题，因此具有很大的发展潜力。

虽然CCS技术兴起的时间还不长，但我国对二氧化碳地质封存的研究已经由试验阶段向工业化推广阶段迈进。

伴随着CCS示范工程的推广，解决CO2地质储存的安全性问题已经迫在眉睫，需要对CCS工程建立严格的监测管理体系和预警机制以避免CO2泄漏造成的危害。

对于储存库周围土壤和大气中CO2的监测是CO2地质储存监测的重要组成部分，通过长期监测不仅可以发现来自储存库CO2的逃逸，确定逃逸路径和数量，而且还可以为分析CO2地质储存对周围环境的影响提供帮助。

2、内容简介

将物联网的数据传输结构应用到CO2监测系统中，把监测系统也分为三层结构：

感知层、传输层、应用层。

（1）感知层是物联网的最底层，作用是感知采集各类信息，应用各类传感器设备，通过传感器进行数据的手机工作。

（2）传输层也被称作网络层，作用是将感知层得到的数据信息快速、准确、安全的传达到应用层，起到承上启下的作用。

按传输距离可以分为两部分，一部分是短距离无线传输通讯，另一部分是远距离无线传输通讯。

短距离通信可以采用Zigbee技术和Wifi等，远距离通信以互联网、GPRS/3G/4G网络传输系统构成。

（3）应用层负责数据的处理，将得来的数据在系统中进行整理，通过计算机、手机等输出终端以图像、文字语言、表格等形式展现。

图1—系统总体框架

3、技术分析

3.1、二氧化碳红外检测技术

红外吸收光谱原理简述：

红外吸收只有在分子震动或转动的时候发生，因此红外光谱又称为分子震动或转动光谱，属分子吸收光谱。

如果将透过T%浓度二氧化碳气体后的红外电磁辐射用单色器色散，使其波长或波数依序排列，并测量在不同波长处的辐射强度，便得到了吸收光谱，在CO2气体对红外波长的吸收光谱简图中，波长为4.26μm和波长为15μm的位置存在两个强吸收峰。

因此根据CO2对于特定波长红外线具有强力吸收作用，便可以运用光谱吸收理论测定CO2气体浓度。

图2--红外波长

3.2、GPRS远距离通信技术

GPRS技术是基于GSM全球移动通讯网络之上实现的数据分组接收发送的一种业务，GPRS在本系统中负责将监测现场采集的数据传输到网络，GPRS有以下优点：

（1）与GSM网络相比，GPRS采用了分组数据传输的方式，大幅度提高了数据传输的速率，最高传输速度每秒可达到171.2kbit

（2）与3G/4G网络相比，GPRS的网络信号覆盖范围更广泛，可以有效的保障野外监测环境中数据传输的稳定性

（3）GPRS成熟度高，支持各种多种其他传输技术，可以很轻松的实现底层网络和因特网的对接

（4）具有实时在线的特点，在没有数据传输的时间段，也同样保持与网络的联系，非常适合用于长期监测控制

（5）由于GPRS是以数据包形式进行数据传输的，因此即使在网络连接状态下，没有数据发送的时候也不会产生费用，降低了使用成本

4、采集仪设计

4.1、总体设计

系统感知层主要包括以下几个部分：

（1）传感器部分：

首先系统的核心监测参数为CO2浓度，主要通过红外CO2监测装置完成

（2）数据采集部分：

数据采集部分采用了CC2530芯片，负责传感器部分的数据采集工作

（3）太阳能供电系统：

考虑到各种不同的工作环境，必须有稳定的电源，太阳能供电装置是整个感知层的基础模块

图3—感知层结构

4.2、红外二氧化碳检测装置部分

4.2.1、总体设计

红外CO2监测装置可以分为三个组成部分，气样采集模块、红外分析模块、数据采集模块。

其中气样采集模块，通过采集环境中的CO2并经过干燥过滤减少其他因素对红外监测过程的影响，为后续分析和测定CO2浓度做铺垫；红外分析模块利用非色散红外气体分析技术对CO2进行浓度分析，由于CO2吸收红外线波谱中固定波段的波长，因此针对该特点观察通过红外传感器就可以轻松地测量出CO2浓度，并将得出的数据转换成电信号传递给后续的模块处理；数据采集模块是以CC2530为核心的单片机系统，对红外分析模块传输来的信号进行处理和数据的保存、传输，同时根据处理后的信息再去控制气样采集模块与红外分析模块的运行。

4.2.2、二氧化碳监测方法

基于红外的CO2监测中有以下几个方法比较常用：

直接吸收检测法、谐波检测法、差分吸收检测法等，通过比较这几种方法的准确度，本系统采用的是差分吸收法进行CO2气体浓度的监测。

该方法的原理是：

使红外光源发出的光纤分别通过两个气室，其中一个气室中没有待测CO2气体，另一个气室中存在待测CO2气体，通过对穿过两个不同气室的红外光线信号进行监测对比，可以直观的反应出CO2气体的浓度。

差分吸收法还可以通过单波长双光路法或者双波长单光路法实现。

该系统中我们使用单波长双光路法，即同一个红外光源发出的红外管线被分为两束，分别进入待测二氧化碳气室和参考气室。

由于两气室内的红外传感器相同，红外光源发出的光束波动同样相同，器件的漂移、温度漂移等因素对两通路的影响相同，待测CO2浓度与两气室射出光线强度的比值成正比，因此其他因素对信号的影响就降低了，测量误差同时也就降低了，从而提高了检测精度。

图4—单波长双光路法

4.3、数据采集模块

4.3.1、CC2530微处理器

TI公司推出的CC2530芯片，它不仅具备了数据处理、信号控制的功能，同时还支持ZigBee协议，可以说是系统感知层中联系各环境因子传感器、CO2红外检测仪的中枢神经，也是传输层中传送数据的终端节点，起到了非常重要的作用。

作为数据采集模块的CC2530芯片，主要应用的是它所具备的数据处理功能。

CC2530芯片内部包括了一个8051微处理器内核、256kb闪存数据存储器、8kb随机存取存储器、高性能RF收发器。

以上这些主要配置可以轻松支持传感器的接入应用，快速准确的进行初步的数据信号接收、处理、储存，确保感知层各项数据采集的持续进行。

除此之外，使用CC2530芯片可以很方便的进行二次开发，这主要依赖于它诸多的外接接口，其中主要包括了2个UART、12个模拟数字信号转换器、21个I/O接口。

这样的配置可以很大程度的保障系统中多种传感器的接入，满足了系统设计的要求。

图5—CC2530芯片外部电路图

4.3.2、数据采集模块结构

CO2传感器采用通过RS-485接口与CC2530微处理器连接的方式，因为RS-485接口与CC2530同为TTL电平，兼容性好无需转换，所以只需要将传感器的数据传输线（DATA）与处理器模块的I/O口相连接，再将传感器上的时钟顺序线（SCK）接到处理器模块的I/O接口上，两个电源引脚VDD,GND之间可以加一个电容用于去耦滤波，在经过初始化启动之后就可以正常测量使用了。

涉及到CO2红外监测仪器部分，在气样采集部分CC2530微处理器通过光源电路对IRL715红外光源进行驱动控制、调节信号强弱。

在红外监测部分则需要先将PIR200B型红外感测器输出的相对较弱的电信号进行滤波、放大处理，再将模拟信号转换成数字信号传输给微处理器，除此之外使用差分电路来降低双通道测量中其他因素的影响，以提高数据准确度。

图6—数据采集模块结构

4.4、太阳能供电部分

为了满足整个CO2监测系统在野外环境中长期工作，本文选择使用太阳能供电装置为系统供电。

太阳能供电装置主要包括电池板、控制器、蓄电池和逆变器等几部分。

在使用时，对于每个组件的选择决定于各个传感器设备对工作电压、电流、功率、频率的要求。

（1）电池板:

太阳能电池板主要采用的是晶体硅材料构成的太阳能电池阵列，利用光电效应把太阳光能量转化为电能，是太阳能供电装置负责发电的主要器件。

（2）控制器:

控制器在太阳能供电系统中的作用就像大脑对于人一样的重要，具有以下功能:

分别控制太阳能电池板对蓄电池的充放电和蓄电池对逆变器的充放电;调节对蓄电池充电的功率与蓄电池电压，防止过充电，延长蓄电池寿命;显示整个光伏系统的工作状态;储存充放电量及故障情况信息;出现故障情况报警切断电源等功能，保障太阳能供电装置安全稳定正常运行。

（3）蓄电池:

蓄电池在供电系统中起到了储存电能的作用，在野外环境中由于天气、昼夜因素的变化，将有太阳光照时电池板所发出的电能储存，供阴天、夜晚时间使用，保障输出电能的持续性。

此外，蓄电池还可以使系统提供更加平稳的电压，保障输出电能的质量。

本系统选用的是铅酸蓄电池，这种蓄电池使用寿命长、性价比高、内阻小，适合各种环境使用。

（4）逆变器:

本系统中各传感仪器多为低压直流运行，因此逆变器主要用于调节电压等级，不需要将直流电变交流电。

在装置充电过程中，太阳能电池板在阳光充足的时候吸收光能转化成电能，向蓄电池充电、给负载供电，该过程中控制器通过对电能的控制调整，保证电能的质量及电压的稳定;在装置放电的过程中，蓄电池把之前储存的电能直接给负载供电，或间接的通过控制器调整电压等级再给负载供电。

此外，供电装置中还要配置防雷模块以应对野外复杂天气环境的变化，为了稳定持续的提供电能输送，要合理的安排充放电运行模式。