实施方案
[0021] 相较于传统工程机械，本发明所提出的技术，考虑实际地形地貌和外界实时温度条件的因素，有利于排除工程机械自身产生废气的干扰，有效检测出工程现场因突发状况或其他未知情况突然产生的大量二氧化硫，以及时提醒工程机械操作人员包括现场其他施工人员，及时采取正确措施，避免因延误导致的人身和财产损失。
[0022] 下面结合实施例与附图来具体说明本发明。
[0023] 一种嵌入二氧化硫监测与预警的运输机械，包括运输机械本体如图1 所示(000)，外部环境信息感知与采集电路模块如图1 所示(100)(200)(300)(400)，排气管流量信息感知与采集电路模块如图1 所示(500)，信息综合处理电路模块如图1 所示(600)，预警电路模块如图1 所示(700)以及嵌入信息综合处理电路模块的烟雾扩散算法程序如图2 所示(2000)。
[0024] 所述的外部环境信息感知与采集电路模块，包括四组相同的电路模块，分别位于所述的运输机械的车厢左前角、左后角、右前角和右后角内侧如图1 所示(100)(200)(300)(400)；所述的四组相同的电路模块，每一组包括一颗二氧化硫传感器如图3 所示(101)(201)(301)(401)，通过有线方式连接至现场可编程模拟阵列如图3 所示 (102)(202)(302)(402)内部的偏置电路如图3 所示(103)(203)(303)(403)和双级运放电路如图3 所示(104)(204)(304)(404)，所述的双级运放电路的输出连接可编程模数混合芯片如图3 所示 (105)(205)(305)(405)内部的片上模拟-数字转换器，所述的片上模拟-数字转换器如图3 所示 (106)(206)(306)(406)在所述的可编程模数混合芯片内部连接BLE模块如图3 所示 (107)(207)(307)(407)，所述的BLE模块通过有线方式连接天线；所述的述的四组相同的电路模块，每一组还包括3.3V锂电池如图3 所示(108)(208)(308)(408)，所述的3.3V锂电池输出端同时连接所述的现场可编程模拟阵列和所述的可编程模数混合芯片。所述的二氧化硫传感器可采用英国Alphasense公司的三脚电化学传感器，外围电路仅需要简单的偏置电 路 和调制输 出的 运放电 路 ，因 此可 采 用现 场可 编程模 拟阵 列(FieldProgrammableAnalogArray)芯片，内部编程形成偏置电路和双级运放电路，所述的FPAA可采用Anadigm公司生产的AN131E04 芯片，内部含有四组可配置模拟模块，用以实现偏置电路和双级运放电路；所述的可编程模数混合芯片既需要包含短距离无线通信功能模块，还需要包含模拟-数字转换器模块，本方案可选用Cypress公司设计生产的PSoC4 BLE芯片，既包含可编程的模拟-数字转换器供使用，还包含基于BLE4.1协议的低功耗蓝牙模块，外接天线即可实现模数转换数据通过BLE和外部通信的功能。
[0025] 所述的排气管流量信息感知与采集电路模块，位于所述的运输机械的排气管内壁；所述的排气管流量信息感知与采集电路模块，包括一颗尾气流速传感器如图4 所示(501)，通过有线方式连接至片上可编程系统芯片如图4 所示(502)内部的片上模拟前端如图4 所示(503) 输入端接口，所述的片上模拟前端的输出在所述的片上可编程系统芯片内部通过多选一模拟选通电路的一路输入端连接芯片内部的片上模拟-数字转换器如图4 所示(504)的输入端，所述的片上模拟-数字转换使用I2C总线，通过有线方式连接可编程模数混合芯片如图4 所示(508) 内部的可编程I2C硬件驱动如图4 所示(506)，所述的可编程I2C硬件驱动连接所述的可编程模数混合芯片的BLE电路模块如图4 所示(507)，所述的BLE电路模块连接天线；所述的排气管流量信息感知与采集电路模块，还包括3.3伏特锂电池如图4 所示(510)，通过有线方式同时连接所述的片上可编程系统芯片和所述的可编程模数混合芯片。所述的片上可编程系统芯片可采用Cypress公司的PSoC Analog芯片，该芯片基于Cortex-M0内核，内嵌有可配置的运算放大器和模拟-数字转换器。所述的可编程模数混合芯片，如前所述，方案可选用Cypress 公司设计生产的PSoC4 BLE芯片，既包含可编程的模拟-数字转换器供使用，还包含基于 BLE4.1协议的低功耗蓝牙模块，外接天线即可实现模数转换数据通过BLE和外部通信的功能。所述的PSoC4 BLE芯片内部的可编程I2C硬件驱动在系统处于运行状态时刻配置为上拉模式，用于兼容并驱动I2C的硬件电路，在系统处于低功耗模式时，可以配置为高阻态模式，降低上拉电流，提高电池寿命。
[0026] 所述的信息综合处理电路模块，位于所述的运输机驾驶室外侧；所述的信息综合处理电路模块，包括一颗混合信号处理器如图5 所示(603)，所述的混合信号处理器内部包括BLE 电路模块如图5 所示(601)和双ARM核如图5 所示(602)，所述的双ARM核使用Q_SPI总线，通过有线方式连接一组Q_SPI转多路I2C电路如图5 所示(604)，所述的混合信号处理器，还使用Q_SPI总线，通过有线方式连接一片Nor型闪存如图5 所示(609)和一颗温度传感器如图5 所示(610)，所述的Q_SPI转多路I2C电路通过有线方式连接一组信号隔离器如图5 所示 (605)的A侧，所述的信号隔离器的B侧，使用多路I2C总线，通过有线方式连接所述的预警电路；所述的信息综合处理电路模块，还包括一颗时钟发生器如图5 所示(606)；所述的信息综合处理电路模块，还包括两组可编程电压转换与滤波电路如图5 所示(607)(608)，所述的两组可编程电压转换与滤波电路输入端连接所述的运输机械内部的车载12伏特电池，其中一路的输出端连接所述的混合信号处理器、Q_SPI转多路I2C电路和所述的信号隔离器的A侧，其中另一路的输出端连接所述的信号隔离器的B侧。所述的混合信号处理器，可采用Cypress 的PSoC6 BLE芯片，该芯片可提供Cortex-M0+核和Cortex-M4核双核微处理器处理数据，提高处理速度，片上的BLE电路模块用以分时接收来自各个信息采集模块的数据；所述的Q_SPI 转多路I2C电路可采用Si8400光耦隔离芯片，用于数据传输；由于Q_SPI和I2C的通讯模式均是同步传输，因此为了传输的数据的稳定性，使用所述的时钟发生器为所述的混合信号处理器和所述的Q_SPI转多路I2C电路提供时钟信号，所述的时钟发生器可采用MicroSemi公司的ZL30253，该芯片具有超低的运行功耗，可极大地提高电池使用效率；所述的Nor型闪存可采用Micron公司的N25Q系列Nor型闪存芯片，读取速率可以达到54MB/s。
[0027] 所述的预警电路模块，位于所述的运输机驾驶室外侧；所述的预警电路模块，包括一组音频驱动电路如图6 所示(701)，通过线方式连接一组音频终端设备如图6 所示(703)，使用SPI总线，通过有线方式连接一颗音频信息铁电随机存储器(FRAM)如图6 所示(702)；所述的预警电路模块，还包括一组LED灯驱动电路如图6 所示(707)，通过线方式连接一组LED 灯终端如图6 所示(708)，使用SPI总线，通过有线方式连接一颗LED灯动作信息模式FRAM 如图6 所示(706)；所述的预警电路模块，还包括一路GPRS电路如图6 所示(705)，所述的 GPRS电路连接天线，并使用SPI总线，通过有线方式连接一颗预警文字信息FRAM如图6 所示(704)；所述的预警电路模块还包括一组可编程电压转换器与滤波电路如图6 所示(709)，所述的可编程电压转换器与滤波电路的输入端连接所述的运输机械车载12伏特电池，输出端通过有线方式同时连接所述的音频信息FRAM、所述的音频驱动电路、所述的音频终端、所述的GPRS电路、所述的预警文字信息FRAM、LED灯动作信息模式FRAM、LED灯驱动电路和LED灯终端；所述的预警文字信息FRAM、LED灯动作信息模式FRAM和音频信息 FRAM，采用但不限于Cypress公司的CY15B064Q系列芯片，铁电随机存储器可不受复杂的电磁干扰，稳定地存储数据，十分适合应用于较为复杂的工业运输环境。
[0028] 所述的烟雾扩散算法程序，其代码存储于所述的Nor型闪存内部；考虑环境温度对扩散模型的影响，所述的烟雾扩散算法程序，算法公式为：
[0029]
[0030] 其中，
[0031]
[0032] hal为海拔高度，TE为实时环境温度，D为排气出口处的有效直径；Vs为出口处污染物的扩散速度；Ts为排气出口处的温度(K)；T0为环境温度(K)， P为标准大气压；σy、σz为气体在下风向为x轴正方向坐标系下，y、z方向分布的标准差，单位为m； X(x,y,z)为任一点处泄漏气体的浓度，单位为kg/m；us为平均风速，单位为m/s；Q为源强(即排气速度)，单位为kg/s。所述的烟雾扩散算法，在高斯烟雾扩散模型的基础上考虑了环境温度对扩散的影响，增加环境温度系数，对高温工业作业环境有很强的适应性。
