一种智能式弥散供氧控制终端的制作方法

1.本发明涉及刀具智能检测领域，尤其涉及一种智能式弥散供氧控制终端。


背景技术：

2.弥散式制氧系统就是一种通过提高密封空间(比如卧室、办公室等)的氧含量(氧浓度)来改善人体所在的外环境，使人体沐浴在一个富氧的环境中，从而达到改善人体呼吸内环境，促进代谢过程的良性循环，以达到缓解缺氧症状、增进健康为目的的设备。
3.弥散式供养技术同其他吸氧方式相比，弥散式供氧是直接提高人体所处环境的氧含量，且可连续24小时不间断吸氧，不需要佩带各种呼吸面罩或者呼吸喷嘴，解除了传统吸氧的各种束缚，使人体在一个舒服、自由的条件下进行氧保健。
4.经过前期调研发现，在常压下人体吸入低浓度氧气(60％以下)不会引起氧中毒，而且只有长时间吸入高浓度氧气才有可能由于肺的通气量不足而对肺造成损害，但氧气浓度或氧气分压低于正常水平时，人体就会出现不同程度的缺氧症状。
5.对于个体供氧，需氧量取决于是否连续、是否加压、氧气的浓度、个体的肺通气量、供氧系统的泄漏情况及最低供氧高度等因素。实际上这种方式下的需氧量与人体自身的氧气消耗量基本上无关，而是取决于人体肺通气量，肺通气量是确定供氧量的基本依据。
6.室内进风包括新风和额外供应的氧气两部分。进风和排风是影响室内氧气量平衡的两个主要因素，将对供氧期间室内的氧浓度或分压产生重要影响。从直观上讲，进风中的新风起到了稀释氧浓度的作用，而排风起到了损失额外补氧量的作用。一般情况下室内至少能保持微正压，存在通过缝隙的漏风量，新风量与二氧化碳允许浓度问题。
7.二氧化碳浓度指标通常是确定空调新风量和保证空气品质的重要依据。影响室内空气品质的主要污染物包括二氧化碳、尘粒、挥发性有机物等，根据ashrae标准，要改善室内空气品质需对室内空气中各种污染物浓度进行控制。


技术实现要素：

8.为了解决上述问题，弥散供氧智能化控制系统要求具有智能化，设备的开启可以通过控制面板的开关切换工作状态，而且设备的手动开关在装备以后置常开状态，只有在意外情况需要停机情况才通过手动干预停机，其余时间通过氧气变送器的阈值信号自动触发。系统正常运行时，触摸屏上能够实时的显示系统运行状态，发生设备故障时，触摸屏显示故障的相关信息，如发生的时间、故障的部位等。
9.本发明提供一种智能式弥散供氧控制终端，包括：控制单元cpu、存储模块、编程模块、传感模块、人机交互模块和执行模块。其中，存储模块、编程模块、传感模块、人机交互模块和执行模块均与控制单元cpu电性连接；
10.传感模块包括空气温湿度传感器、co2浓度传感器、氧气传感器和气压传感器，用于获取室内环境参数，包括：温湿度参数、co2浓度参数、氧气浓度参数和气压参数；
11.存储模块用于存储室内环境参数；
12.编程模块用于控制终端仿真调试；
13.人机交互模块用于室内参数显示和功能控制；
14.执行模块用于实现室内空调系统、排风系统、供氧系统的控制。
15.进一步地，所述控制单元cpu采用stm32芯片；所述控制单元cpu通过jtag调试电路实现编程模块功能；所述控制单元cpu通过存储芯片接口电路实现存储模块功能。
16.进一步地，所述人机交互模块包括调试界面、显示模块和通信模块；所述显示模块用于室内参数显示；所述调试界面和所述通信模块共同完成功能控制。
17.进一步地，所述通信模块包括rs485接口电路和wifi接口电路。
18.进一步地，控制终端还包括电源管理模块；所述电源管理模块包括：电源电路、时钟源电路、复位电路和启动电路。
19.进一步地，所述氧气传感器采用离子流氧气传感器gnl
‑
pt889。
20.进一步地，所述wifi接口电路采用wifi模块esp
‑
01s。
21.进一步地，控制终端还通过wifi模块与手机app通信；手机app包括参数显示功能。
22.控制终端的使用原理如下：
23.控制终端初始化，包括硬件初始化和状态初始化；
24.初始化完毕，读取定时器时刻，到达计数时刻t1，进入主循环，进行传感数据读取，包括空气温湿度传感器、co2浓度传感器、氧气传感器和气压传感器，并对获得的数据进行解析，包括温湿度参数、co2浓度参数、氧气浓度参数、气压参数，同时cpu根据以上参数计算等效海拔高度a_h；
25.cpu通过传感模块中的氧气传感器对氧气浓度进行实时监测，检测到氧气浓度低于设定的氧气浓度下限o2_l时，控制执行机构动作，使得供氧系统开关打开；当检测到氧气浓度高于设定的氧气浓度上限o2_h时，控制执行机构动作，使得供氧系统开关关闭；
26.控制单元cpu将相关参数发送到显示模块，温湿度参数、co2浓度参数、氧气浓度参数、气压参数以及根据等效海拔高度。同时，系统会对传感器运行状态进行监测，并将其显示在显示屏上；
27.控制终端进入延时待机和开出闭锁；一个循环流程进行完毕之后，当计数器到达下一个循环的计数值时，控制单元cpu进入下一个主循环。
28.本发明提供的有益效果是：实现了弥散式供氧系统的智能自动控制，实时监测室内氧气浓度，自动开关电磁阀以调节室内氧气浓度。可以通过显示屏实时显示氧气浓度等相关参数和系统及传感器运行状态。同时实现了app远程监测，可实时监测室内氧气浓度等相关参数。
附图说明
29.图1是本发明一种智能式弥散供氧控制终端的结构图；
30.图2是传感器sht20或者sht30的接口电路原理图；
31.图3是传感器cm1106的接口电路原理图；
32.图4是气压传感器bme280的接口电路原理图；
33.图5是jtag调试电路原理图；
34.图6是flash芯片w25q64的接口电路图；
35.图7是rs485接口电路；
36.图8是本发明电源电路原理图；
37.图9是本发明时钟源hse电路原理图；
38.图10是本发明时钟源lse电路原理图；
39.图11为本发明复位电路原理图；
40.图12是本发明启动电路原理图；
41.图13为手机app界面示意图；
42.图14为固态继电器接口电路原理图；
43.图15为本发明控制终端主流程图；
44.图16为本发明执行机构控制流程示意图；
45.图17为本发明显示模块控制流程示意图。
具体实施方式
46.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
47.请参考图1，一种智能式弥散供氧控制终端，包括以下：
48.控制单元cpu、存储模块、编程模块、传感模块、人机交互模块和执行模块。其中，存储模块、编程模块、传感模块、人机交互模块和执行模块均与控制单元cpu电性连接；
49.传感模块包括空气温湿度传感器、co2浓度传感器、氧气传感器和气压传感器，用于获取室内环境参数，包括：温湿度参数、co2浓度参数、氧气浓度参数和气压参数；
50.本发明实施例中，对空气温湿度的采集选用型号为sht20的数字传感器。该传感器芯片上同时集成了能隙温度传感元件和电容式湿度传感元件，另外芯片内还含有a/d转换器、放大器和数字处理单元，会自动将模拟量转化为数字量输出，具有功耗低、响应快、稳定性强的特点，传感器通过iic总线和控制器连接。请参考图2，图2是传感器sht20或者sht30的接口电路原理图；
51.本发明实施例中，对室内co2浓度的检测使用型号为cm1106的气体传感器。该传感器使用非色散红外原理对温室内的co2浓度进行测佩，为了保证测得结果的准确性，内置了温度补偿模块，具有卓越的线性输出特性，使用寿命长。同时，有多种输出方式，选择串口输出，使用前将传感器置与co2浓度为400ppm的环境下运行20分钟以上进行零点校准。请参考图3，图3是传感器cm1106的接口电路原理图。
52.本发明实施例中，对室内气压的检测在弥散供养控制中很有必要，气压传感器选择bme280，基于博世apsm工艺和创新的电阻式测量技术的小尺寸、高性能压力和温湿度传感器，非常适合空间有限的移动设备，如智能手机，平板电脑、智能手表和可穿戴设备等场合，所以在室内弥散供养设备中选择这个传感器。请参考图4，图4是气压传感器bme280的接口电路原理图。
53.本发明实施例中，氧气传感器选择离子流传感器gnl
‑
pt889。离子流传感器的关键性参数如表1所示。
54.存储模块用于存储室内环境参数；
55.编程模块用于控制终端仿真调试；
56.人机交互模块用于室内参数显示和功能控制；
57.执行模块用于实现室内空调系统、排风系统、供氧系统的控制。
58.所述控制单元cpu采用stm32芯片；选用stm32f417zgt6微控制器；
59.所述控制单元cpu通过jtag调试电路实现编程模块功能；所述控制单元cpu通过存储芯片接口电路实现存储模块功能。
60.表1离子流传感器gnl
‑
pt889关键参数
[0061][0062]
请参考图5，图5是jtag调试电路原理图；jtag主要用于控制器内部程序的仿真与调试，当实现在线编程时也要用到jtag接口，在线编程可以加快开发进度。stm32系列微控制器内核集成了jtag/swd调试端口，它将5引脚的jtag接口和2引脚的swd接口结合在一起。
[0063]
控制单元cpu在收到数据采集模块传递来的数据后会对这些数据进行存储，还要将监控端发送来的环境因子设定值写入存储区，所以对存储器的容量有较高的要求。需要对控制器外扩存储芯片以满足正常工作的要求，本技术实施例中采用flash芯片，如w25q64，该芯片的容量为8mb，通过spi接口和stm32芯片进行连接。spi是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且只占用4根引脚，节省了芯片的引脚，同时为pcb板的布线节省了空间。请参考图6，图6是flash芯片w25q64的接口电路图。
[0064]
所述人机交互模块包括调试界面、显示模块和通信模块；所述显示模块用于室内参数显示；所述调试界面和所述通信模块共同完成功能控制。
[0065]
所述通信模块包括rs485接口电路和wifi接口电路。
[0066]
所述人机交互模块的显示模块通过触摸屏完成。为了方便在温室现场能够直观地看到环境参数值，并且能够手动去控制执行设备的运行，本实施例中选择型号为sdwe070c05c的vgus4.3组态屏，提高现场的人机交互能力。组态屏vgus4.3是7.0英寸，具有800x480分辨率、400流明的sdw
‑
plusii系列，工作电压为5v，具有1个usb接口用于程序的下载，能够rs232/rs422/rs485端口通信。在设计stm32控制器的核心电路时，专门外扩了rs485的接口电路，就是用作来和触摸屏进行通信。
[0067]
请参考图7，图7是rs485接口电路。在温室内，stm32控制器通过rs485和触摸屏进行通信，用来实现对温室内调控设备的现场控制，因为rs485电平不能和stm32控制器芯片的ttl电平直接匹配，图中使用sp3485芯片用来将rs485电平转换为ttl，其中r14为匹配电阻。
[0068]
本发明实施例中，所述wifi接口电路采用wifi模块esp
‑
01s。
[0069]
wifi模块esp
‑
01s包括如下功能：
[0070]
(1)重启模块功能
[0071]
(2)收发模式
[0072]
(3)参数配置
[0073]
(4)查看已接入设备的ip
[0074]
(5)查看本模块的ip地址
[0075]
(6)查看本机配置模式
[0076]
(7)查询本模块是否建立多连接
[0077]
(8)查询本模块的传输模式
[0078]
(9)查询本模块的服务器超时时间
[0079]
(10)开启多连接模式
[0080]
(11)创建服务器
[0081]
控制终端还包括电源管理模块；所述电源管理模块包括：电源电路、时钟源电路、复位电路和启动电路。
[0082]
请参考图8，图8是本发明电源电路原理图；本发明实施例中，电源电路，由芯片资源配置表可知主控芯片的工作电压为2～3.6v，通常选用3.3v作为工作电压，供i/o端口等接口使用。可以采用usb供电方式。usb接口提供的5v电压经过ams1117
‑
3.3降压芯片得到3.3v电压供给stm32主控芯片。图中sw1为拨动开关，划片在左时电源关闭，在右时电源打开；d4为红色led灯，用来显示电源状态。
[0083]
请参考图9
‑
10，图9
‑
10是本发明两种不同的时钟源电路原理图。时钟系统对于控制器而言是非常重要的，控制器中的所有功能都是在时钟节拍下进行的。stm32内部时钟按照频率的大小不同可分为高速时钟和低速时钟两种。其产生方式也有两种：
[0084]
1)内部rc振荡器产生。因为内部rc振荡器产生的时钟缺乏稳定性，所以大都使用外接晶振方式产生时钟。
[0085]
2)外接晶振方式产生。核心电路外接两个晶振作为时钟源，一个晶振频率8mhz是高速外部时钟(hse)，如图9所示，经过7倍频后得到系统时钟sysclk。系统时钟在经过apb1预分频器后得到pclk1时钟供给低速外设使用，如i2c接口、串口；再经过apb2预分频器后得到pclk2时钟给高速外设使用，如i/o口和adc接口。另一个为低速外部时钟(lse)，如图10所示，晶振频率为32.768khz，主要为内部的实时时钟提供时钟源。
[0086]
请参考图11，图11为本发明复位电路原理图。为了保证控制器在运行时能够稳定可靠，设计了复位电路。因为stm32是低电平复位的，所以在设计复位电路时也应设计成低电平复位，图中r1和c6组成低电平上电复位。当控制器在运行时出现故障，通过复位按钮reset可使stm32控制器随时返回到初始状态。
[0087]
请参考图12，图12是本发明启动电路原理图。控制器内起始程序可以从主闪存存
储器、系统存储器、sram区启动，这主要取决于主控芯片的boot1和booto引脚电平的高低，在系统复位以后，第4个系统时钟上升沿到来时，boot引脚的值被锁存。用户可以通过设置boot1和booto的引脚状态来选择启动方式，启动模式设置端口的电路。
[0088]
控制终端还通过wifi模块与手机app通信；手机app包括参数显示功能。请参考图13，图13为手机app界面示意图。
[0089]
所述执行模块的控制回路中接入电磁继电器，stm32控制器通过继电器实现对调控设备的自动控制。继电器是应用于自动化控制电路中的一种电子器件，分为输出回路和输入回路两部分，本质上是通过小电流控制大电流，起着自动调节、电路转换的作用，具有响应快、体积小等优点。
[0090]
本发明中选用固态继电器，请参考图14，图14为固态继电器接口电路(当然，其它电磁继电器也可以类似地操作)；该继电器的吸合电压为24v(当然，也可以选择5v固态继电器，其它电磁继电器也可以类似地操作)，由铁芯、衔铁、线圈和簧片四部分组成，其工作原理是：通过在线圈两端加上吸合电压产生电流进而产生电磁力，吸引衔铁动作，控制开关。该部分可用于接入控制空调系统、排风系统和供氧系统等。
[0091]
根据上述硬件结构，本发明提供一种实施例，用于阐述本控制终端的使用控制原理如下：
[0092]
请参考图15，图15为主流程示意图；系统(控制终端)开启后，会进行初始化过程，此过程中，系统与wifi进行连接，再与服务器进行连接。网络连接完毕后，系统进行硬件初始化过程，包括定时器初始化、串口初始化、i2c存储引脚初始化。硬件初始化完毕后，对系统状态初始化，包括数据区初始化和标志位初始化。主流程图如图所示。
[0093]
初始化完毕后，系统读取定时器时刻，进入主循环。到达计数时刻(t1)时，进行传感器数据获取，包括空气温湿度传感器、co2浓度传感器、氧气传感器和气压传感器，并对获得的数据进行解析，包括温湿度参数、co2浓度参数、氧气浓度参数、气压参数，同时cpu根据以上参数计算等效海拔高度(a_h)。
[0094]
cpu通过传感模块中的离子流氧气传感器对氧气浓度进行实时监测，检测到氧气浓度低于设定的氧气浓度下限(o2_l)时，控制执行机构动作，使得供氧开关打开。当检测到氧气浓度高于设定的氧气浓度上限(o2_h)时，控制执行机构动作，使得供氧开关关闭。之后，系统进入延时待机和开出闭锁。执行机构控制流程如图16所示。
[0095]
cpu将相关参数发送到显示模块，如温湿度参数、co2浓度参数、氧气浓度参数、气压参数以及根据等效海拔高度。同时，系统会对传感器运行状态进行监测，并将其显示在显示屏上。
[0096]
一个循环流程进行完毕之后，当计数器到达下一个循环的计数值时，cpu进入下一个主循环。
[0097]
图16表示执行机构控制流程图，现将它简述如下：cpu检测到氧气浓度(o2_m)低于设定的氧气浓度下限(o2_l)时，控制执行机构动作(电磁阀开启)，使得供氧开关打开(开始补充氧气)；当检测到氧气浓度高于设定的氧气浓度上限(o2_h)时，控制执行机构动作(电磁阀关闭)，使得供氧开关关闭(停止补充氧气)。之后，系统进入延时待机和开出闭锁。
[0098]
图17表示执行机构控制流程图，现将它简述如下：cpu读取传感器数据以及传感器状态，通过串口传输到显示屏，显示屏如果接收到数据，则将相关数据和传感器状态显示到
显示屏上。同时，如果用户设置了定时时间，串口将定时时间回传到cpu，进行设备定时。一个循环完成之后，进入下一个主循环时，重复以上流程。
[0099]
本发明的有益效果是：实现了弥散式供氧系统的智能自动控制，实时监测室内氧气浓度，自动开关电磁阀以调节室内氧气浓度。可以通过显示屏实时显示氧气浓度等相关参数和系统及传感器运行状态。同时实现了app远程监测，可实时监测室内氧气浓度等相关参数。
[0100]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。