激光式化粪池智能监控一体机及其控制方法与流程

本发明涉及气体监测，尤其涉及一种激光式化粪池智能监控一体机及其控制方法。

背景技术：

1、随着城市地下管网与化粪池等密闭基础设施的规模迅速扩张，已成为市政安全运维的关键管控对象。化粪池作为一种广泛应用的污水处理设施，其作用是对生活污水中的粪便及固体有机物进行厌氧水解处理。然而，由于化粪池内部为相对密闭的厌氧反应空间，污水中的有机质在厌氧菌作用下持续发酵分解，生成以甲烷、硫化氢、氨气等为主要成分的混合废气。其中，甲烷为易燃易爆气体，在密闭空间内积聚后遇静电、金属撞击或电气启停等微小火花即可诱发爆炸火灾；硫化氢兼具剧毒与强腐蚀性，不仅易造成运维人员中毒窒息，还会持续腐蚀监测设备与管网钢结构。近年来，因化粪池、沼气池等有限空间内有害气体积聚导致的中毒、爆炸事故频发，已造成多起重大人员伤亡，严重威胁公共安全与群众人身财产安全，对化粪池内危险气体浓度进行实时、准确、可靠的在线监测与预警已成为市政安全管理的迫切需求。

2、目前，化粪池气体监测领域主要存在以下技术缺陷：

3、其一，传统红外气体监测方案存在先天不足。当前化粪池监测普遍采用非分散红外（ndir）检测传感器，然而红外光谱易受化粪池现场高湿度水汽及多种烷烃混合气体的交叉干扰，气体组分识别精度差，甲烷、硫化氢浓度误报、漏报频发，难以实现分级精准安全预警。同时，设备长期处于高温高湿环境中，传感器敏感元件快速劣化，设备稳定使用周期急剧缩短，维护成本高昂。

4、其二，现有少量tdlas激光监测设备虽在检测原理上具有一定优势，但其整机结构、硬件架构及控制软件均存在根本性缺陷，难以适应恶劣的化粪池工况并保障长期可靠运行。在气路预处理方面，汽水分离结构过于简易，水汽与冷凝废水无法充分分离并自动排出，极易造成气路管路堵塞及激光传感器受潮损毁；在设备结构方面，整机采用一体式通腔设计，气路、电路板与排风模块之间无物理隔断，腐蚀性废气直接侵蚀精密电子元器件，导致设备腐蚀老化快、故障率高、使用寿命短，需人工周期性开盖清理，运维成本极高；在硬件架构方面，采用单一主控集中式架构，数据采集、运算、通信及设备控制全部集成于单块主控芯片，缺乏硬件冗余备份，主控或采集模块任一故障即导致整机直接停机失效，不具备离线监测与本地告警能力，系统容错性与连续稳定运行能力极差；同时主控算力与存储容量有限，无法支撑激光光谱高精度解算、多任务并行处理及海量监测数据的本地存储，难以满足市政智能化远程管控需求；在软件控制方面，功能固化、架构单一，采用固定周期采样模式，无法根据现场气体浓度波动自适应调整监测频次，无用采样能耗高且加速传感器硬件损耗；缺少多任务调度、数据校验与故障容错机制，监测数据传输延迟大、丢包率高，无法形成“采样—分析—预警—自动排气—数据溯源”的自动化闭环管控，智能化水平低下。

5、综上所述，现有的化粪池监测检测精度低、环境适应性差、系统可靠性不足及智能化水平低下，难以满足市政安全运维对实时精准监测与自动化闭环管控的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种激光式化粪池智能监控一体机及其控制方法，解决了现有技术中化粪池监测检测精度低、环境适应性差、系统可靠性不足及智能化水平低下，难以满足市政安全运维对实时精准监测与自动化闭环管控的需求的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种激光式化粪池智能监控一体机，包括柜体主体、气路系统、中央处理单元和采集控制单元，所述柜体主体自上而下分为电路柜体、气路柜体和排气柜体三层独立腔体，层间通过外部螺钉紧固拼接，内部完全物理隔离；

3、所述气路系统，设置于所述气路柜体内，包括一级汽水分离器、三通电磁阀、采样泵、二级汽水分离器、气室和排水电磁阀，所述一级汽水分离器的入口连接待测废气源，其出口连接所述三通电磁阀，所述三通电磁阀还连接空气源和所述采样泵，所述二级汽水分离器与所述采样泵连接，所述二级汽水分离器的气体出口连接所述气室的入口，所述气室的出口连通大气，所述一级汽水分离器和所述二级汽水分离器的冷凝水出口分别连接至对应的所述排水电磁阀；

4、所述中央处理单元设置于所述电路柜体内，用于数据分析、存储、远程通信和策略制定；

5、所述采集控制单元设置于所述电路柜体内，与所述中央处理单元通信连接，用于根据所述中央处理单元的指令或本地存储的策略控制所述气路系统中的泵阀执行气路清洗、采样检测和自动排水操作，并采集传感器数据；

6、所述采集控制单元还用于在检测到所述中央处理单元通信中断或故障时，切换至独立工作模式，按照本地存储的策略自主完成采样、分析和告警上报。

7、其中，所述气路系统执行气路预清洗阶段、气体采样检测阶段和采样后自动排水阶段；

8、气路预清洗阶段中，所述三通电磁阀导通空气，所述排水电磁阀关闭，空气经所述三通电磁阀、所述采样泵、所述二级汽水分离器至所述气室后直排大气；

9、所述气体采样检测阶段中，所述三通电磁阀切换至化粪池进气支路，所述排水电磁阀保持关闭，化粪池待测废气依次流经所述一级汽水分离器、所述三通电磁阀、所述采样泵、所述二级汽水分离器至所述气室后排放至大气；

10、所述采样后自动排水阶段中，所述一级汽水分离器和所述二级汽水分离器配套的所述排水电磁阀同步开启，将腔体内部冷凝废水经水管统一排出设备箱体外部。

11、其中，所述中央处理单元包括am3352微处理器、第一电源电路、第一存储电路和第一通信接口电路；

12、所述第一电源电路包括将外部宽电压转换为+5v的电源模块、将+5v转换为+3.3v的第一低压差稳压器，以及为所述am3352微处理器供电的配套电源管理芯片；

13、所述第一存储电路包括与所述am3352微处理器连接的ddr3内存芯片和通过mmc接口外接的tf卡；

14、所述第一通信接口电路包括通过uart串口连接的用于与远程管理平台通信的第一4g模块、用于连接所述采集控制单元的rs232接口、预留的rs485接口。

15、其中，所述采集控制单元包括微处理器、第二电源电路、第二存储电路、第二通信接口电路、时钟电路和第二4g模块；

16、所述第二电源电路包括将+5v转换为+3.3v的第二低压差稳压器，为所述stm32f411微处理器供电；

17、所述第二存储电路包括通过i²c总线连接的eeprom芯片，用于保存系统配置参数和控制阈值；

18、所述第二通信接口电路包括三路独立的rs232通信接口，其中第一通道连接tdlas激光传感器，第二通道作为与所述中央处理单元的数据传输链路；

19、所述时钟电路包括由备用电池供电的实时时钟芯片；

20、所述第二4g模块通过uart串口与所述stm32f411微处理器连接，用于在所述中央处理单元故障时独立上报监测数据与报警信息。

21、其中，所述中央处理单元和所述采集控制单元的控制信号输出路径上均设置有光耦隔离电路，实现控制侧与功率侧的电气隔离；

22、所述电路柜体与所述气路柜体之间、所述气路柜体与所述排气柜体之间均通过高密封航空接头实现供电、信号和气路的导通连接，所述航空接头具备防水、气密和防腐特性。

23、其中，所述中央处理单元搭载嵌入式linux操作系统，其软件模块包括4g通信模块、数据存储模块和数据采集模块，采用多线程调度机制并基于“生产者-消费者”模型与循环队列实现线程间数据交换；

24、所述采集控制单元搭载threadx嵌入式实时操作系统，其软件采用分层架构，包括驱动层、操作系统层和业务层，业务层包含串口任务、定时器调度任务、协议任务、发送任务、分析任务和心跳任务，各任务之间采用消息通知，数据交换使用队列完成；

25、所述定时器调度任务实现基于定时器驱动的状态机，控制“清洁-排水-采样-分析-排气”自动化采集流程。

26、本发明还提供一种控制方法，应用于如上述所述的激光式化粪池智能监控一体机，

27、包括：

28、正常工况下，所述中央处理单元下发自适应采样周期，所述采集控制单元按指令定时采样并回传数据，所述中央处理单元完成数据分析、模型迭代、数据存储和远程平台上报，并在检测到浓度超标时下发排气指令，由所述采集控制单元驱动排气设备；

29、所述采集控制单元的心跳任务定期向所述中央处理单元发送心跳数据包并检测应答；

30、当连续多次未收到有效应答而判定所述中央处理单元通信中断或故障时，所述采集控制单元切换至独立工作模式，调取本地eeprom存储的采样策略自主定时采样，并在浓度超标时自动启动排气处置，同时通过独立的第二4g模块向运维平台同步上传监测数据和设备故障告警。

31、本发明的一种激光式化粪池智能监控一体机及其控制方法，通过两级汽水分离对待测气体进行深度干燥净化，有效消除水汽对tdlas激光光谱检测的干扰，大幅提升检测精度与数据一致性；采用三层物理隔离柜体结构，使电路、气路、排气腔体完全隔断，杜绝腐蚀性气体侵蚀电子器件，显著延长设备使用寿命，双电磁阀自动排水彻底免去人工开盖维护，极大降低运维工作量与综合成本；所述中央处理单元与所述采集控制单元双硬件冗余备份，主控故障时采集单元可独立完成采样、告警与数据上传，确保监测不中断，双路独立4g通信通道自动切换保障告警信息可靠传输，光耦隔离电路有效提升抗干扰能力；自适应采样算法根据浓度动态调节监测频次，降低功耗与设备损耗，设备全自动持续运行并具备故障自诊断与自主应急处置能力，充分满足智慧城市市政管网数字化安全管控需求。