無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)(開(kāi)題報(bào)告).

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì),,目錄,一 選題的依據(jù)和意義 二 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)三 研究?jī)?nèi)容四 準(zhǔn)備工作情況和主要工作措施五 工作計(jì)劃六 預(yù)期成果七 難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)八 參考文獻(xiàn),煤田火區(qū)治理是一個(gè)世界性難題，在全球范圍內(nèi)除了南極洲以外，其他幾大洲都存在地下煤火現(xiàn)象。美國(guó)、印度等國(guó)家同樣受到煤田自燃引發(fā)災(zāi)害的困擾。我國(guó)煤田火區(qū)主要分布在新疆、寧夏和內(nèi)蒙古。這三個(gè)自治區(qū)的煤炭?jī)?chǔ)量約占全國(guó)儲(chǔ)量的80％以上，可是這些地

2、區(qū)又是全國(guó)煤田火災(zāi)最為嚴(yán)重的省區(qū)。據(jù)有關(guān)部門(mén)估算，這3個(gè)自治區(qū)潛在燃燒面積多達(dá)720平方公里，燃燒的煤火每年破壞煤炭資源多達(dá)2億噸，燃燒時(shí)排放出大量的有毒有害氣體嚴(yán)重地污染了大氣環(huán)境，在對(duì)流層會(huì)形成大范圍的酸雨，并可能破壞臭氧層，給當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境和人民生活帶來(lái)很大的威脅。,一 選題的依據(jù)和意義,選題的依據(jù)和意義,往往煤田有多處自燃著火區(qū)，不可能同時(shí)去滅火，因此可根據(jù)著火點(diǎn)空氣污染的嚴(yán)重程度來(lái)決定優(yōu)先滅火。在煤田著火區(qū)域密集布設(shè)無(wú)線傳感器

3、網(wǎng)絡(luò)氣體監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的有害氣體排放的情況，這充分體現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。監(jiān)測(cè)人員不用到現(xiàn)場(chǎng)也可監(jiān)測(cè)氣體排放情況，保護(hù)了監(jiān)測(cè)人員的安全，為進(jìn)一步治理當(dāng)?shù)氐目諝馕廴咎峁┮罁?jù)，最終達(dá)到保護(hù)空氣環(huán)境、節(jié)能減排的目的。節(jié)能減排指的是減少能源浪費(fèi)和降低廢氣排放。我國(guó)“十一五”規(guī)劃綱要提出，“十一五”期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20％左右、主要污染物排放總量減少10％。,選題的依據(jù)和意義,節(jié)能減排是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會(huì)主義

4、和諧社會(huì)的重大舉措；是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇；是推進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，轉(zhuǎn)變?cè)鲩L(zhǎng)方式的必由之路；是維護(hù)中華民族長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的必然要求。節(jié)能減排意義深遠(yuǎn)，這應(yīng)該是一項(xiàng)全社會(huì)、全球性的自發(fā)行為。我們要保護(hù)我們的生存環(huán)境，為我們的后代著想，而絕對(duì)不能為了眼前的利益以破壞環(huán)境為代價(jià)。只有堅(jiān)持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展，才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展。,二 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),國(guó)外在氣體檢測(cè)儀的研究主要集中在氣體傳感器的氣敏材料的創(chuàng)新

5、以及復(fù)合氣體采集的實(shí)現(xiàn)上。氣體檢測(cè)儀做成便攜式的和固定式的兩種?，F(xiàn)在的氣體檢測(cè)儀多集中于氣體傳感器陣列電子鼻系統(tǒng)，可檢測(cè)多種氣體。日本費(fèi)加羅公司發(fā)明的TGS系列半導(dǎo)體式氣體傳感器優(yōu)良的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性以在全世界獲得廣泛確認(rèn)。美國(guó)英思科公司（Industrial Scientific Corporation）是全球知名的設(shè)計(jì)制造和銷售工業(yè)級(jí)便攜式和固定式有毒有害氣體檢測(cè)儀的專業(yè)公司。Industrial Scientific已成為全球堅(jiān)

6、固可靠的氣體監(jiān)測(cè)儀器(系統(tǒng))的代名詞。,M40?M 煤礦專用4氣體檢測(cè)儀：首家獲得煤安MA認(rèn)證 ，鋰電池可連續(xù)工作18小時(shí)，超大LCD顯示，75小時(shí)數(shù)據(jù)記錄，50英尺遠(yuǎn)程采樣，可檢測(cè)氧氣（O2）、甲烷氣體（CH4）、一氧化碳 (CO)、硫化氫（H2S）。 T40 單氣體檢測(cè)儀，使用普通5號(hào)電池，容易更換，翻蓋標(biāo)定罩，美國(guó)專利，標(biāo)定簡(jiǎn)便，重量輕、體積小，獲得中國(guó)煤安MA認(rèn)證，超大LCD液晶顯示屏能清晰的讀出氣體濃度、種類、峰值和高

7、、低濃度報(bào)警水平，可檢測(cè)HS或CO。,國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),北京市朝陽(yáng)區(qū)一氧化碳預(yù)警系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)氣體傳感器檢測(cè)氣體的一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的特例。該系統(tǒng)通過(guò)在房屋內(nèi)安裝監(jiān)控探測(cè)器和無(wú)線傳輸模塊3萬(wàn)只，對(duì)空氣中的一氧化碳濃度進(jìn)行24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控。2010年春節(jié)期間，各監(jiān)控中心共收到一氧化碳濃度超標(biāo)報(bào)警信息194例，所有報(bào)警全部按照既定流程進(jìn)行了及時(shí)處置，通過(guò)防手段減少人防工作量，提高對(duì)一氧化碳中毒事件的防控水平，有效確保了

8、百生安居樂(lè)業(yè)、社會(huì)安全穩(wěn)定。,國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院研發(fā)的GTH500(B)型一氧化碳傳感器。該檢測(cè)儀主要用于監(jiān)測(cè)煤礦井下環(huán)境氣體中一氧化碳的濃度，能在具有瓦斯或煤塵爆炸等危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境中對(duì)煤的自燃等各種內(nèi)、外因造成的火災(zāi)實(shí)現(xiàn)就地監(jiān)測(cè)和遙測(cè)。它采用高性能進(jìn)口電化學(xué)原理的氣體傳感器7E/F(英國(guó)CITY)，在整個(gè)硬件軟件設(shè)計(jì)中，采取多種抗干擾措施，滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容要求，具有性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、響應(yīng)

9、速度快、故障自檢、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、易使用易維護(hù)等特點(diǎn)。,氣體檢測(cè)儀器的發(fā)展方向,氣體傳感器的研究涉及面廣、難度大，屬于多學(xué)科交叉的研究?jī)?nèi)容。氣體傳感器智能化是其發(fā)展的必由之路。智能氣體傳感器將在充分利用微機(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、電路與系統(tǒng)、傳感技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊理論等多學(xué)科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。氣敏材料的開(kāi)發(fā)和根據(jù)不同原理進(jìn)行檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)一直受到研究人員的關(guān)注。未來(lái)氣體傳感器的發(fā)展也將圍繞這兩方面展開(kāi)工作

10、。目前仿生氣體傳感器也在研究中。警犬的鼻子就是一種靈敏度和選擇性都非常好的理想氣敏傳感器，結(jié)合仿生學(xué)和傳感器技術(shù)研究類似狗鼻子的“電子鼻”將是氣體傳感器發(fā)展的重要方向之一。,三 研究?jī)?nèi)容,,研究?jī)?nèi)容主要分為以下五個(gè)方面：1.有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案；2.無(wú)線氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)；3.節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)；4.氣體檢測(cè)模塊研究；5.監(jiān)測(cè)控制中心管理系統(tǒng)設(shè)計(jì),1.有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案,有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案,,用于煤田

11、火區(qū)空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。這是一個(gè)層次型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最左邊為部署在實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，往右依次為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)，最終連接到Internet網(wǎng)。為獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個(gè)不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，從而形成多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點(diǎn)將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)傳送到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，再由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)sink，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)經(jīng)移動(dòng)網(wǎng)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)上。,2.無(wú)線氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng),無(wú)

12、線氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng),蜂窩網(wǎng)絡(luò)被廣泛采用的原因是源于一個(gè)數(shù)學(xué)猜想，正六邊形被認(rèn)為是使用最少結(jié)點(diǎn)數(shù)且可以完整覆蓋某一區(qū)域最大面積的圖形，出于節(jié)約設(shè)備構(gòu)建成本的考慮，正六邊形是最好的選擇。蜂窩通常使用正六邊形來(lái)表示。無(wú)線蜂窩網(wǎng)在提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率方面起到關(guān)鍵性作用。網(wǎng)絡(luò)出故障時(shí)提供有效的迂回路由，確保通信暢通無(wú)阻;與專線或菊花鏈相比更具彈性和可靠性，而且網(wǎng)絡(luò)具有自配置、自組織和自愈的能力。蜂窩網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點(diǎn)或接入點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)通信，而不需要

13、路由到中心交換點(diǎn)，從而消除了集中式的故障，提供自我恢復(fù)和自我組織的功能。,3.節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì),1）傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì),節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì),2）匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì),節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì),3）節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì),4.氣體檢測(cè)模塊研究,1）氣體傳感器選型根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型。 要進(jìn)行—個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更

14、為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大?。槐粶y(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為便攜式還是固定式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。,氣體檢測(cè)模塊研究,2）氣體傳感器的性能指標(biāo)有靈敏度、響應(yīng)特性(反應(yīng)時(shí)間)、線性范圍。 3）氣體傳感器的種類如下:

15、（1）半導(dǎo)體氣體傳感器 （2）固體電解質(zhì)氣體傳感器 （3）接觸燃燒式氣體傳感器 （4）光學(xué)式氣體傳感器 （5）石英諧振型氣體傳感器 （6）表面聲波氣體傳感器 （7）固體高分子電解質(zhì)型氣體傳感器 （8）電化學(xué)氣體傳感器 其中半導(dǎo)體氣體傳感器分為金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器和有機(jī)半導(dǎo)體氣體傳感器。金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器又可分為電阻式和非電阻式兩種。,氣體檢測(cè)模塊研究,4）COM

16、2442模塊研究COM2442是一款費(fèi)加羅公司設(shè)計(jì)的基于半導(dǎo)體傳感器TGS2442的模塊，用于檢測(cè)氣體CO。實(shí)物見(jiàn)左圖。該模塊集成了氣體信號(hào)值的采集和調(diào)理（放大）電路，輸出模擬量，表征CO的濃度值。該模塊的組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)右圖。,氣體檢測(cè)模塊研究,5.監(jiān)測(cè)控制中心管理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì),1）監(jiān)測(cè)中心硬件設(shè)計(jì),監(jiān)測(cè)控制中心管理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì),2）監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì),四 準(zhǔn)備工作情況和主要工作措施,分析煤田火區(qū)可能產(chǎn)生的有害氣體；查閱氣體傳感器的相關(guān)

17、資料，了解氣體傳感器的分類以及各類氣體傳感器的工作原理，著重了解半導(dǎo)體氣體傳感器和電化學(xué)氣體傳感器及其信號(hào)的調(diào)理電路設(shè)計(jì)。根據(jù)半導(dǎo)體氣體傳感器TGS2442較高的性能指標(biāo)和信號(hào)調(diào)理電路的可行性，購(gòu)買(mǎi)CO氣體檢測(cè)模塊COM2442。研究CO氣體檢測(cè)模塊COM2442，查閱模塊中的各個(gè)芯片的引腳定義、功能定義、時(shí)序等，為將來(lái)自行設(shè)計(jì)適合用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有害氣體監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的氣體傳感器采集和調(diào)理模塊做好準(zhǔn)備。,準(zhǔn)備工作情況和主要工作措施,研

18、究C8051F930處理器，特別是該處理器的A/D轉(zhuǎn)換功能，COM2442模塊輸出的是放大的模擬量，需要作模數(shù)轉(zhuǎn)換。研究收發(fā)模塊SI4432。處理器模塊通過(guò)SPI接口電路連接SI4432收發(fā)器模塊，將采集來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。COM2442驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)，結(jié)合開(kāi)發(fā)板提供的開(kāi)發(fā)平臺(tái)或者使用IAR Embedded workbench For C8051F930開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)在上位機(jī)上進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。上

19、位機(jī)在VC++開(kāi)發(fā)環(huán)境下嵌入Matlab引擎，借助Matlab的數(shù)字信號(hào)處理分析采集到的數(shù)據(jù)。,五 工作計(jì)劃,,六 預(yù)期成果,將傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在煤田著火點(diǎn)的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自主形成網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)搜集周?chē)h(huán)境的氣體濃度值。由于節(jié)點(diǎn)就處于煤田火區(qū)的氣體監(jiān)測(cè)環(huán)境中，大量部署功能稍弱但非常廉價(jià)的節(jié)點(diǎn)可以得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠滿足一定的精度要求;相比于傳統(tǒng)的使用少數(shù)幾個(gè)處理能力較強(qiáng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備的方法，大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的魯棒性。處于傳感

20、器網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點(diǎn)必須通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。每個(gè)傳感區(qū)域都有一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)搜集傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。所有的匯聚節(jié)點(diǎn)都連接到上層移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)移動(dòng)基站與Internet網(wǎng)連接。傳感器節(jié)點(diǎn)搜集的數(shù)據(jù)最后都通過(guò)Internet傳送到監(jiān)管中心的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。監(jiān)管中心遠(yuǎn)程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而了解現(xiàn)場(chǎng)氣體排放情況。,七 難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn),難點(diǎn)：氣體傳感器采集和調(diào)理電路設(shè)計(jì)，降低整個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗；硬件驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)；收發(fā)模塊中數(shù)據(jù)融合

21、算法和路由設(shè)計(jì)；通信中的同步問(wèn)題；上位機(jī)用于分析和處理傳感數(shù)據(jù)的軟件設(shè)計(jì)。創(chuàng)新點(diǎn)：將氣體傳感器模塊用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，達(dá)到實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)氣體的目的；用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)處理分析軟件設(shè)計(jì)。,八 參考文獻(xiàn),[1]黃雙根,吳　燕,黃大星.基于STC89C52新型一氧化碳報(bào)警器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子 2009.10[2]朱前偉,孫小進(jìn),趙小兵,趙波.基于單片機(jī)的一氧化碳傳感器的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 2009.07[

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