防爆环境用物联网温湿度感知节点的制作方法
专利名称防爆环境用物联网温湿度感知节点的制作方法
技术领域本实用新型涉及一种防爆环境用物联网温湿度感知节点，更具体的说，尤其涉及一种无需布线可自组网的防爆环境用物联网温湿度感知节点。
背景技术物联网技术作为继互联网之后信息产业发展史上的又一重大里程碑，已引起世界各国的高度重视。2008年11月，美国将物联网发展上升为美国国家发展战略。2009年6月， 欧盟制定并公布了包括标准化、研究项目、管理机制和国际对话等14个方面的物联网行动计划；2009年8月，日本制定了 EPC系统国家发展战略，将物联网列为国家重点战略项目之一 ；2002年4月，韩国计划在2012年建成全国范围内的物联网基础设施。2009年8月，温家宝总理在无锡传感网产业发展时明确指示要尽快建立中国的传感信息中心，即“感知中国”中心。国家“十二五“规划将物联网技术列为优先发展的高新技术之一。物联网技术在消费电子、智能家居、智能建筑、医疗监护、环境监测、智能交通、汽车电子、工业控制、机器人系统、军事等领域中有着广泛的应用，特别是针对军事、煤矿、油田等爆炸环境，物联网的构建相对困难，对物联网感知节点的感知精度、组网可靠性和防爆能力有着更高的要求。物联网体系架构按照层次划分一般分为感知层、信息处理层和应用层三部分。感知节点是构建物联网感知前端的基本单元，特别是温/湿度节点设备，在空调制冷、建筑节能、煤矿(油田)环境监测、机电设备状态监控、农业大棚、酿酒、军用仓储等领域有着广泛的用途。现有的温湿度感知设备，如PT100温度传感器，工业用温度变送器，环境监测用湿度探测器等，存在以下缺陷(I)节点设备多采用有线连接，基于适配器供电，移动性差，不能满足物联网快速自组网、移动数据交换等发展需求。(2)少有的无线感知节点功耗较高，节点设备多缺乏防爆设计，无法适用于军事、煤矿、油田等爆炸环境。(3)温度、湿度分离设计，不能满足温湿度一体化测量需求。我国国家防爆标准GB3836规定，应用于危险性环境的电气电子设备必须满足防爆标准。如煤矿井下、油田、军用仓库等。按照应用于危险环境的电气电子设备所采取的防爆措施不同，可把防爆电气设备分为本质安全型(简称本安型)、隔爆型、增安型、正压型、油浸型、充砂型、浇封型、粉尘防爆型等，其中本安型具有经济成本低、易于实现的优点，是物联网一体化设备设计的首选。本安设计是指在规定的试验条件下，正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物的电路设计。规定的试验条件是指在考虑了各种最不利因素(包括一定的安全系数、试验介质浓度等)的试验条件。发展一种应用于防爆环境下的基于物联网技术的温湿度感知节点显得尤为重要。
发明内容本实用新型为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种无需布线可自组网的防爆环境用物联网温湿度感知节点。[0007]本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，包括提供电能的电源单元、用于外界参数采集的传感器单元以及实现信息处理并输入输出数据的微控制单元，微控制单元通过功率放大电路与进行无线信号收发的天线连接；其特别之处在于还包括用于两路差分信号与单一天线信号之间进行转换的微带巴伦电路；微带巴伦电路的输入端与微控制单元的信号端口相连接，输出端与功率放大电路的输入端相连接；所述传感器单元为可同时进行温度和湿度信息采集的传感器。电源单元用于给整个温湿度感知节点提供电能，传感器单元实现外界湿度和温度信号的检测，微控制单元实现数据的采集、运算以及输出和接收无线信号。功率放大电路用于发送和接收信号的功率放大，天线用于发送和接收无线信号；在发送状态下，微带巴伦电路将两路差分信号转化为单一天线信号进行发送；在接收状态下，微带巴伦电路将接收的单一天线信号转化为两路差分信号。通过设置可进行温湿度信息采集的传感器以及可进行无线信号收发的物联网组网电路，实现了环境参数的采集以及各个温湿度感知节点的组网，方便了防爆区域的温湿度信息的采集。本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，还设置有用于接收与发送状态转换的组合开关，组合开关的控制端与微控制单元的信号发送和控制端口相连接。微控制单元通过对组合开关的控制，可有效地实现数据的发送和接收。本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，所述传感器单元采用的温湿度传感器型号为SHTlx。SHTlx为Sensirion公司生产的智能型温湿度一体传感器，该传感器采用电容式结构，测量精度较高且可精确得出露点，不会随温度梯度变化产生误差。本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，所述传感器单元置于具有防潮作用的收集室中；传感器单元与采集温湿度数据的微控制单元之间通过阻燃电缆相连接。设置收集室，可保证传感器检测数据的精确性，传感器单元与微控制单元通过阻燃电缆相连接，确保本质安全电路的防爆功能。本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，所述微控制单元、微带巴伦电路、组合开关、功率放大电路和天线均采用本质安全型电路。设置为本质安全型电路，更加符合防爆区域对电气设备防爆性能的要求。本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，所述微控制单元采用CC2430芯片。采用CC2430芯片可有效地实现ZigBee为基础的2. 4GHz ISM波段数据的发送和接收。本实用新型的有益效果是本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，通过设置可对温度和湿度信息同时进行采集的传感器单元，以及设置了微控制单元、微带巴伦电路、组合开关、功率放大电路以及天线，有效地在防爆区域构建无线传感器网络并进行温湿度信息的采集，具有布设方便、采集信息全面以及便于组网的优点。其(I)本实用新型可支持多达65535个节点自组网，无线通信不需要预先布设基站等基础设施，无需电源线和数据线，移动能力强，可满足物联网应用需求。(2)与GPRS、点对点无线通信相比，本实用新型支持ZigBee无线标准，支持Mesh网络，组网简单方便，且使用免费2. 4 G频段，符合国际通用无需批准的规范，不需要支付额外的运营费用，成本低。(3)本实用新型通过低功耗设计和外壳防爆设计，可适用于易燃易爆环境，进一步提升了设备的抗燥性、拓宽了应用范围。附图说明
图I为本实用新型的湿度感知节点的原理图；图2为本实用新型的湿度感知节点采用防爆设计的原理图；图3为本实用新型的湿度感知节点中传感器单元的电路连接图。图中1电源单元，2传感器单元，3微控制单元，4微带巴伦电路，5组合开关，6功率放大电路，7天线，8收集室，9阻燃电缆。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。 如图I和图2所示，给出了本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点的原理图，其包括电源单元I、传感器单元2、微控制单元3、微带巴伦电路4、组合开关5、功率放大电路6、天线7、收集室8、阻燃电缆9 ;电源单元I用于给整个温湿度感知节点提供稳定电压，保证其正常工作；微控制单元3用于数据的采集、运算和处理，并通过微带巴伦电路4接受和发送数据；微控制单元3可采用CC2430芯片，以便实现基于2. 4 G频段的无线网络通信。传感器单元2可以选用瑞士 Sensirion公司生产的SHTlx型智能温湿度一体传感器,该传感器采用电容式结构，测量精度较高且可精确得出露点，不会随温度梯度变化产生误差。温湿度传感器单元外围电路较为简单，原理图如图3所示。微控制器(CC2430)通过两线信号向SHTlx传感器发送指令及时序控制命令来控制传感器的内部寄存器，达到读取温度和湿度值的目的。由CC2430芯片组成的微控制单元3的Positive RF和Negative RF与微带巴伦电路4相连接，在发送模式下，实现两路差分信号到50ohm单一信号的合并，在接收模式下将单一的50ohm天线信号分离为两路差分信号；同时微带巴伦电路4还具有阻抗匹配和直流电输出的作用。CC2430芯片的RX/TX Switch接口与组合开关5相连接，微控制单元3通过同组合开关5的状态控制，可实现信号的发送和接受。功率放大电路6的输入端与微带巴伦电路4相连接，用于实现接收和发送信号的放大；天线7与功率放大电路6的输出端线连接，无线数据通过天线7向外部发送，也通过天线7接收外界的无线信号。其中，组合开关5可以采用NC7S86异或门、NC7S04反相器以及两个UPG开关器件构成。微控制单元3的RX/TX Switch管脚与异或门连接，通过异或门和反相器，使得收发状态保持一高一低，通过低电平控制开关器件一路导通，收发信号分别与微控制单元3的Positive RF、Negative RF管脚连接,从而达到发送与接收信号的切换。电源单元I主要功能是通过稳压控制，向传感器单元和ZigBee核心单元提供3. 3V稳压电压，其电路较为简单，可以选用LM3. 3V稳压芯片实现。为了保证整个温湿度感知节点符合国家防爆标准的规定，微控制单元3、微带巴伦电路4、组合开关5、功率放大电路6和天线7均采用本质安全型电路；传感器单元2设置在具有防潮作用的收集室8中，并通过阻燃电缆9与微控制单元3相连接，以便达到本安防爆的效果。在具体的设计过程中，还可通过以下措施加强其防爆性能，(O限制节点能量；在电路设计时应对电路在短路、开路、断路以及误操作等各种状态下可能发生的电火花予以限制，可靠地将电路中的电压和电流限制在所允许范围内，以确保电气设备正常工作或发生短接及元器件损坏等故障情况下产生的火花或热效应不至于引起周围可能存在的危险气体的爆炸。本安设计首先应依照GB3836. 4防爆标准进行严格的PCB板电路设计。设计时先将单元电路等效为简单电阻电路、简单电容电路或简单电感电路进行分析，根据点燃能力参考获得电路的安全参数；对于比较复杂的电路，进行点燃能力实验，将其相应的最小点燃电流或最小点燃电压作为电路安全参数选择的依据。对不能满足上述要求的电路，采取降低电路电压或电流措 施。(2)最高表面温度控制；为保证各部分元件无论在正常还是在故障状态下，最高表面温度不大于所允许的最高值，设计时通过功率计算或者实际测定表面温度的方法，得到最不利工作条件或故障状态下元件的最高表面温度，判定其是否满足指标要求。
权利要求1.一种防爆环境用物联网温湿度感知节点，包括提供电能的电源单元(I)、用于外界参数采集的传感器单元(2)以及实现信息处理、输入输出功能的微控制单元(3)，微控制单元通过功率放大电路(6)与进行无线信号收发的天线(7)连接；其特征在于还包括用于两路差分信号与单一天线信号之间进行转换的微带巴伦电路(4);微带巴伦电路的输入端与微控制单元的信号端口相连接，输出端与功率放大电路的输入端相连接；所述传感器单元(2)为可同时进行温度和湿度信息采集的传感器。
2.根据权利要求I所述的防爆环境用物联网温湿度感知节点，其特征在于还设置有用于接收与发送状态转换的组合开关(5)，组合开关的控制端与微控制单元(3)的信号发送和控制端口相连接。
3.根据权利要求I或2所述的防爆环境用物联网温湿度感知节点，其特征在于所述传感器单元(2)采用的温湿度传感器型号为SHTlx。
4.根据权利要求3所述的防爆环境用物联网温湿度感知节点，其特征在于所述传感器单元(2)置于具有防潮作用的收集室(8)中；传感器单元与采集温湿度数据的微控制单元(3 )之间通过阻燃电缆(9 )相连接。
5.根据权利要求I或2所述的防爆环境用物联网温湿度感知节点，其特征在于所述微控制单元(3 )、微带巴伦电路(4 )、组合开关(5 )、功率放大电路(6 )和天线(7 )均采用本质安全型电路。
6.根据权利要求I或2所述的防爆环境用物联网温湿度感知节点，其特征在于所述微控制单元(3)采用CC2430芯片。
专利摘要本实用新型的防爆环境用物联网温湿度感知节点，包括电源单元、传感器单元和微控制与通信单元，特征在于还包括用于转换接收与发射信号的微带巴伦电路；微带巴伦电路与微控制与通信单元的信号端口相连接，输出端与功率放大电路的输入端相连接；传感器单元为可同时进行温度和湿度信息采集的传感器。本实用新型有效地在防爆区域构建无线传感器网络并进行温湿度信息的采集，具有布设方便、温湿度一体化采集、自组网和防爆等优点。(1)可支持65535个节点，无需电源线和数据线，满足物联网应用需求。(2)支持ZigBee无线标准，使用免费2.4Ｇ频段，无需费用，成本低。(3)温湿度一体化采集。(4)低功耗和防爆设计，提升了设备的抗燥性、拓宽了应用范围。
文档编号G01N27/22GKSQ
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者裴忠民 申请人:裴忠民热线电话400-
　产品中心
&&静态倾角传感器 &&静态倾角传感器 &&防爆倾角传感器
静态倾角传感器
防爆倾角传感器
● 高精度，高稳定性● 铠装电缆，具有防拉、抗磨损、耐腐蚀、防干扰特点● 防爆性能符合CENELEC、IEC标准、NEC标准● 良好的防爆能力，EXdIICT6 防爆等级；IP66防护等级● 铝合金外壳，耐腐蚀，低成本
防爆型倾角传感器在标准SST300倾角传感器的高性能、高可靠、高稳定等特性基础上，从外壳、接插件、线缆、防护、接地等细节进行改良，是专业的防爆环境用倾角测量产品，并获得ATEX、IECEX防爆认证。　√ ±0.02%FS线性度　√ ±0.005°的零点偏置值　√ 进一步明确了零点偏置、重复性与迟滞、上电重复性等对测量精度有重要影响的性能指标　√ 内部增强的高级智能化算法，可大幅度降低横轴误差，提升了实际的倾角测量水平，摒弃了传统的对倾角测量精度　　 的不全面理解；并结合FFT数据，可大幅度提高在振动环境下的倾角测量　√ 大幅度降低了因安装过程中的实际倾斜方向与传感器敏感方向不一致而造成的更大的测量误差　√ 内部增加了短路、瞬变电压、反接入保护等保护措施，适应工业现场使用环境 应用石油、化工、天然气等存在易燃易爆环境中的平台水平测量，精密倾角测量，机械设备水 平测量和实验室仪器调平等应用。适用于气体防爆环境1区，2区中，粉尘防爆环境21区，22区中的建筑物以及结构的姿态监控和倾斜测量、安全警报。可应用于海上钻井平台姿态监控、大型易燃易爆危险品储存罐倾斜/变形监控、危险场合的地质活动监控、化工厂设备姿态监控、危险品运输车辆/船舶等运输设备的姿态监控、易燃易爆危险品开采设备的姿态监控、易燃易爆危险品检测仪器设备的姿态监控等。技术参数
表1 技术参数表
综合绝对精度①(@25 ℃)
综合绝对精度分项参数
绝对线性度(LSF,%FS)
横轴误差②
零点偏置③
±0.0025°
±0.0025°
允许安装对准偏差④
输入轴非对准度
灵敏度温漂系数
≤100ppm/℃
≤50ppm/℃
零点温漂系数
≤0.003°/ ℃
零点上电重复性⑤
长期稳定性⑥
4~20mA、0~5VDC、-5~+5VDC
冷启动预热时间
响应时间⑦
0.3s（@t90）
输出刷新率
5Hz（标准配置），可选10Hz 或20Hz
平均工作电流≤50mA；平均功率≤1.5W （25℃&24VDC）
电磁兼容性
依照GBT17626
欧盟认证（LCIE 11 ATEX 3005）国际电工认证(IECEx CQM 11.0022X)隔爆等级为EXdIICT6 等级
平均无故障时间MTBF
≥25000小时/次
100g@11ms，三轴向（半正弦波）
8grms，20～2000Hz
隔爆连接器（满足ATEX 防爆标准）
铠装电缆线（满足ATEX 防爆标准），标准长度2 米，可定制
350g（不含接插件和电缆线）
①　　综合绝对精度是指在常温条件下，对传感器的非线性、重复性、迟滞、零点偏置以及横轴误差的平方根值。
②　　零点偏置是指传感器在没有角度输入的情况下(如绝对水平面)，传感器测量输出不为零，即为零点偏置。
③　　横轴误差是指当传感器在垂直于其灵敏轴方向施加一定的加速度或者倾斜一定的角度时所产生的误差。如对于测量范围为±10°的单轴（假定X方向为倾角测量方向）倾角传感器，在空间垂直于X方向发生13°的倾斜时（此时实际被测量的倾斜角度保持不变，如为+8.505°），传感器的输出信号会因为这个13°的倾斜而产生额外误差，这个误差我们称为横轴误差。SST300的横轴误差为0.1%,因此，产生的额外误差为0.1%×13°=0.013°，而传感器实际输出的角度应为8.518°(=8.505°+0.013°)。在SST300系列中，该误差已经包含于综合绝对精度指标内。
④　　允许安装对准偏差是指传感器在实际安装过程中，允许传感器的安装偏差。一般地，SST300传感器在安装时要求倾斜方向与传感器的指定边沿保持平行或者垂直，该指标表示可以允许有一定的安装角度偏差而不影响传感器的测量精度。
⑤　　零点上电重复性是指传感器在多次重复通电—断电—通电下的零点的重复性。
⑥　　长期稳定性是指传感器在25℃下，经过一年的持续通电测试而统计出的最大和最小输出值的偏差。
⑦　　响应时间是指传感器在一个阶跃角度变化（如在5ms内从-10°变化到+10°），传感器的输出达到标准值的90%时所需要的时间。该指标不同于传感器的建立时间。
外形尺寸(mm)
接线定义表2 引脚定义
电缆线颜色
电流输出（G19）
电压输出（代号G20、G21）
例如：需要购买一台双轴防爆型倾角传感器用于大型天然气罐体检测，测量范围±5°，常温倾角测量精度±0.02°，-20~60℃温度下的精度±0.02°，4~20mA输出，配10m电缆线，应选择的传感器型号为：SST302-05-G19-00-B5-C9-D3（10m）　　　另外需要部分选件（见选件表4）：　　　安全栅——订货号SST003-12-01，数量1个配件&选件表3 配件表
4~20mA 接口
输出电流与角度数据成比例关系线性度：0.02%FS 最大输出阻抗为39Ω，允许最大负载阻抗为625Ω内部过热保护、反接入保护
0~5VDC 接口
输出电压与角度数据成比例关系线性度：0.02%FS 最大输出阻抗为100Ω，输出最大电流为正负10mA
-5~+5VDC 接口
0~60℃温度补偿范围，温漂精度±0.01°@≤±30°量程
0~60℃温度补偿范围，温漂精度±0.01°@＞±30°量程
-20~60℃温度补偿范围，温漂精度±0.02°@≤±30°量程
-20~60℃温度补偿范围，温漂精度±0.02°@＞±30°量程
-30~60℃温度补偿范围，温漂精度±0.03°@≤±30°量程
-30~60℃温度补偿范围，温漂精度±0.03°@＞±30°量程
-40~65℃温度补偿范围，温漂精度±0.05°@≤±30°量程
-40~65℃温度补偿范围，温漂精度±0.05°@＞±30°量程表4 选件表
型号/订货号
SST003-12-02
电流输入型安全栅
防爆标志：【Exia】IIC证书号： CNEx11.0456具体描述：35mm 导轨式安装，额定工作电压范围： 24V±10% DC输入信号类型：4～20mA，0～20mA，输入阻抗≤250Ω输出信号类型：模拟量电压/电流输出，RS-485 信号输出，开关量输出输出负载特性：电流输出时:RL≤500Ω，电压输出时： RL≥250KΩRS485 信号输出：传输延时≤10μs,信号传输率≤56kbps开关量输出：继电器输出驱动能力：125VAC/0.6A，30VDC/2A继电器响应时间：＜5ms给危险区的传感器提供电源：24VDC绝缘强度：2500V，a.c： 1min工作温度：-40℃～85℃详细情况请参考该选件的数据手册。
SST003-11-01
横轴误差测试报告
横轴影响下的传感器精度测试报告，全量程下平均11 个点
SST003-11-02
绝对线性度测试报告
全量程下平均21 个点的线性度测试报告
SST003-11-03
安装对准偏差测试报告
垂直轴、水平轴的轴偏移测试报告，3 个角度点
SST003-11-10
寿命模拟测试报告
连续7 天的持续通电下的零位和满量程的测试报告(含原始数据)
SST003-11-13
盐雾试验报告
按照GJ B/MIL 的盐雾试验报告
Powered By
上海辉格科技发展有限公司
Vigor Technology All Right Reserved.
电话 021- 传真 021-&R1 台￥6000.00
产品型号：LKN-205B
品&&&&&&&&牌：LK 蓝科
所&&在&&地：江苏
更新日期：
1台 | 6000.00元
添加描述请填写信息
联系方式：邵磊&&
（联系我时，请说明是从谷瀑环保上看到的，谢谢！）
让谷瀑专家为您解决采购难题
询价产品：
公&&&&司：
联&系&人：
手机号码：
谷瀑已收到您的需求，我们会尽快会通知卖家联系您，同时会派出采购专员1对1为您提供服务，请您耐心等待。
联系电话：025-
手&&机&&号：电话无人接听怎么办
联&&系&&人：邵磊
公司地址：南京市高新技术开发区丽新路19号
请输入手机号码，我们将通知卖家尽快联系您，同时为你提供更多1对1采购服务！
手机号码：
谷瀑已收到您的需求，我们会尽快会通知卖家联系您，同时会派出采购专员1对1为您提供服务，请您耐心等待。
已将您所需信息发送至您手机
我的询价单
井下作业专用钻机专用防爆高防潮动态扭力传感器
详细需求：
手&&&&机：
电&&&&话：
公&&&&司：
地&&&&址：
谷瀑已收到您的需求，我们会尽快会通知卖家联系您，同时会派出采购专员1对1为您提供服务，请您耐心等待。
谷瀑环保提醒您：马上联系供应商或等待供应商联系您！
姓名：邵磊
固话：025-
管理我的采购
您的采购已提交成功!
谷瀑环保提醒您：马上联系供应商或等待供应商联系您！
姓名：邵磊
固话：025-
验&&证&&码：
获取验证码
您的密码：mm
密&&&&&&&码：
店内推荐产品
联 系 人：
环 宝 通：
所在地区：
&南京蓝科自动化设备有限公司
&联&系&人：&&邵磊&
&手&&&&&&机：&&
&电&&&&&&话：&025-&
&邮&&&&&&箱：&&
&邮&&&&&&编：&210032&
&传&&&&&&真：&025-&
&联系时,请一定说明是从谷瀑网看到的,谢谢
&&&&&&&&&&&& LKN-205B动态扭矩传感器，对密封轴承、出线口、线路板做了高防水处理，防护等级达到IP66。能适应各种潮湿环境，特别是钻井作业平台井下环境使用。
0～5、10、20、50、100、200、500、1K、2K、3K、5K、1万、2万、3万、5万、10万、15万、20万N.m
供电及输出
15V&DC&&50mA&&&&&&输出：频率方波10&KHz&5KHz
24&V&DC&&&&&&&&&&&&电压信号1~5VDC
0~3000转/分，0~6000转/分，0~8000转/分&(大于8000转为无轴承设计)
60脉冲/转&&&（大于1万扭矩最多可输出180脉冲/转）
&&0.1&%&F&&S，&&0.2&%&F&&S&，&&&0.5&%&F&&S&&
零点温飘&&&
&&＜0.2&%&F&&S&/10℃&&&
绝缘阻抗：
&&&500M&O&&
0.3&%&F&&S&/年
－20&～&60℃&&&
询价产品：
井下作业专用钻机专用防爆高防潮动态扭力传感器
详细需求：
手&&&&机：
电&&&&话：
公&&&&司：
地&&&&址：
供应商的其他相关信息
免责声明：以上所展示的信息由会员自行提供，内容的真实性、准确性和合法性由发布会员负责。谷瀑环保对此不承担任何责任。
友情提醒：为规避购买风险，建议您在购买相关产品前务必确认供应商资质及产品质量。
南京蓝科自动化设备有限公司
联系人：邵磊
联系电话：025-
传真：025-
联系地址：南京市高新技术开发区丽新路19号技术支持：&&&&