無線傳感器網(wǎng)絡(luò)氣體監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(開題報告).

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)氣體監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計,,目錄,一 選題的依據(jù)和意義 二 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢三 研究內(nèi)容四 準(zhǔn)備工作情況和主要工作措施五 工作計劃六 預(yù)期成果七 難點和創(chuàng)新點八 參考文獻,煤田火區(qū)治理是一個世界性難題，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、印度等國家同樣受到煤田自燃引發(fā)災(zāi)害的困擾。我國煤田火區(qū)主要分布在新疆、寧夏和內(nèi)蒙古。這三個自治區(qū)的煤炭儲量約占全國儲量的80％以上，可是這些地

2、區(qū)又是全國煤田火災(zāi)最為嚴重的省區(qū)。據(jù)有關(guān)部門估算，這3個自治區(qū)潛在燃燒面積多達720平方公里，燃燒的煤火每年破壞煤炭資源多達2億噸，燃燒時排放出大量的有毒有害氣體嚴重地污染了大氣環(huán)境，在對流層會形成大范圍的酸雨，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)，不可能同時去滅火，因此可根據(jù)著火點空氣污染的嚴重程度來決定優(yōu)先滅火。在煤田著火區(qū)域密集布設(shè)無線傳感器

3、網(wǎng)絡(luò)氣體監(jiān)測節(jié)點可以實時地遠程監(jiān)測的有害氣體排放的情況，這充分體現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點。監(jiān)測人員不用到現(xiàn)場也可監(jiān)測氣體排放情況，保護了監(jiān)測人員的安全，為進一步治理當(dāng)?shù)氐目諝馕廴咎峁┮罁?jù)，最終達到保護空氣環(huán)境、節(jié)能減排的目的。節(jié)能減排指的是減少能源浪費和降低廢氣排放。我國“十一五”規(guī)劃綱要提出，“十一五”期間單位國內(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)能減排是貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會主義

4、和諧社會的重大舉措；是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然選擇；是推進經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整，轉(zhuǎn)變增長方式的必由之路；是維護中華民族長遠利益的必然要求。節(jié)能減排意義深遠，這應(yīng)該是一項全社會、全球性的自發(fā)行為。我們要保護我們的生存環(huán)境，為我們的后代著想，而絕對不能為了眼前的利益以破壞環(huán)境為代價。只有堅持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展，才能實現(xiàn)經(jīng)濟又好又快發(fā)展。,二 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,國外在氣體檢測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)合氣體采集的實現(xiàn)上。氣體檢測儀做成便攜式的和固定式的兩種?，F(xiàn)在的氣體檢測儀多集中于氣體傳感器陣列電子鼻系統(tǒng)，可檢測多種氣體。日本費加羅公司發(fā)明的TGS系列半導(dǎo)體式氣體傳感器優(yōu)良的長期穩(wěn)定性和可靠性以在全世界獲得廣泛確認。美國英思科公司（Industrial Scientific Corporation）是全球知名的設(shè)計制造和銷售工業(yè)級便攜式和固定式有毒有害氣體檢測儀的專業(yè)公司。Industrial Scientific已成為全球堅

6、固可靠的氣體監(jiān)測儀器(系統(tǒng))的代名詞。,M40?M 煤礦專用4氣體檢測儀：首家獲得煤安MA認證 ，鋰電池可連續(xù)工作18小時，超大LCD顯示，75小時數(shù)據(jù)記錄，50英尺遠程采樣，可檢測氧氣（O2）、甲烷氣體（CH4）、一氧化碳 (CO)、硫化氫（H2S）。 T40 單氣體檢測儀，使用普通5號電池，容易更換，翻蓋標(biāo)定罩，美國專利，標(biāo)定簡便，重量輕、體積小，獲得中國煤安MA認證，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、、低濃度報警水平，可檢測HS或CO。,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,北京市朝陽區(qū)一氧化碳預(yù)警系統(tǒng)是國內(nèi)氣體傳感器檢測氣體的一個物聯(lián)網(wǎng)的特例。該系統(tǒng)通過在房屋內(nèi)安裝監(jiān)控探測器和無線傳輸模塊3萬只，對空氣中的一氧化碳濃度進行24小時實時監(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)報警信息194例，所有報警全部按照既定流程進行了及時處置，通過防手段減少人防工作量，提高對一氧化碳中毒事件的防控水平，有效確保了

8、百生安居樂業(yè)、社會安全穩(wěn)定。,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,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。該檢測儀主要用于監(jiān)測煤礦井下環(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惡劣的環(huán)境中對煤的自燃等各種內(nèi)、外因造成的火災(zāi)實現(xiàn)就地監(jiān)測和遙測。它采用高性能進口電化學(xué)原理的氣體傳感器7E/F(英國CITY)，在整個硬件軟件設(shè)計中，采取多種抗干擾措施，滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容要求，具有性能穩(wěn)定、測量精度高、響應(yīng)

9、速度快、故障自檢、結(jié)構(gòu)堅固、易使用易維護等特點。,氣體檢測儀器的發(fā)展方向,氣體傳感器的研究涉及面廣、難度大，屬于多學(xué)科交叉的研究內(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械與微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信號處理技術(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。氣敏材料的開發(fā)和根據(jù)不同原理進行檢測器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計一直受到研究人員的關(guān)注。未來氣體傳感器的發(fā)展也將圍繞這兩方面展開工作

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 研究內(nèi)容,,研究內(nèi)容主要分為以下五個方面：1.有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計總體方案；2.無線氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)；3.節(jié)點軟硬件設(shè)計；4.氣體檢測模塊研究；5.監(jiān)測控制中心管理系統(tǒng)設(shè)計,1.有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計總體方案,有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計總體方案,,用于煤田

11、火區(qū)空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖所示。這是一個層次型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，最左邊為部署在實際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，往右依次為移動網(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)點的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，從而形成多個傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)傳送到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，再由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點發(fā)送到匯聚節(jié)點sink，匯聚節(jié)點負責(zé)將數(shù)據(jù)經(jīng)移動網(wǎng)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)上。,2.無線氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng),無

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數(shù)學(xué)猜想，正六邊形被認為是使用最少結(jié)點數(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表示。無線蜂窩網(wǎng)在提高無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率方面起到關(guān)鍵性作用。網(wǎng)絡(luò)出故障時提供有效的迂回路由，確保通信暢通無阻;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)點或接入點與其他節(jié)點通信，而不需要

13、路由到中心交換點，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)點軟硬件設(shè)計,1）傳感器節(jié)點硬件設(shè)計,節(jié)點軟硬件設(shè)計,2）匯聚節(jié)點硬件設(shè)計,節(jié)點軟硬件設(shè)計,3）節(jié)點軟件設(shè)計,4.氣體檢測模塊研究,1）氣體傳感器選型根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。 要進行—個具體的測量工作，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)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大?。槐粶y位置對傳感器體積的要求；測量方式為便攜式還是固定式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問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。,氣體檢測模塊研究,4）COM

16、2442模塊研究COM2442是一款費加羅公司設(shè)計的基于半導(dǎo)體傳感器TGS2442的模塊，用于檢測氣體CO。實物見左圖。該模塊集成了氣體信號值的采集和調(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)見右圖。,氣體檢測模塊研究,5.監(jiān)測控制中心管理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計,1）監(jiān)測中心硬件設(shè)計,監(jiān)測控制中心管理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計,2）監(jiān)測中心軟件設(shè)計,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的調(diào)理電路設(shè)計。根據(jù)半導(dǎo)體氣體傳感器TGS2442較高的性能指標(biāo)和信號調(diào)理電路的可行性，購買CO氣體檢測模塊COM2442。研究CO氣體檢測模塊COM2442，查閱模塊中的各個芯片的引腳定義、功能定義、時序等，為將來自行設(shè)計適合用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有害氣體監(jiān)測節(jié)點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SPI接口電路連接SI4432收發(fā)器模塊，將采集來的數(shù)據(jù)發(fā)送到下一個節(jié)點。COM2442驅(qū)動程序的編寫，結(jié)合開發(fā)板提供的開發(fā)平臺或者使用IAR Embedded workbench For C8051F930開發(fā)軟件進行氣體監(jiān)測節(jié)點的硬件設(shè)計。學(xué)習(xí)在上位機上進行數(shù)字信號處理。上

19、位機在VC++開發(fā)環(huán)境下嵌入Matlab引擎，借助Matlab的數(shù)字信號處理分析采集到的數(shù)據(jù)。,五 工作計劃,,六 預(yù)期成果,將傳感器節(jié)點被放置在煤田著火點的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點能夠自主形成網(wǎng)絡(luò)。每個節(jié)點搜集周圍環(huán)境的氣體濃度值。由于節(jié)點就處于煤田火區(qū)的氣體監(jiān)測環(huán)境中，大量部署功能稍弱但非常廉價的節(jié)點可以得到的監(jiān)測數(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)幾個處理能力較強的監(jiān)測設(shè)備的方法，大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)具有更強的魯棒性。處于傳感

20、器網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點必須通過轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。每個傳感區(qū)域都有一個匯聚節(jié)點負責(zé)搜集傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)。所有的匯聚節(jié)點都連接到上層移動網(wǎng)絡(luò)上。移動網(wǎng)絡(luò)通過移動基站與Internet網(wǎng)連接。傳感器節(jié)點搜集的數(shù)據(jù)最后都通過Internet傳送到監(jiān)管中心的數(shù)據(jù)庫存儲。監(jiān)管中心遠程對數(shù)據(jù)進行分析處理，從而了解現(xiàn)場氣體排放情況。,七 難點和創(chuàng)新點,難點：氣體傳感器采集和調(diào)理電路設(shè)計，降低整個節(jié)點的功耗；硬件驅(qū)動程序編寫；收發(fā)模塊中數(shù)據(jù)融合

21、算法和路由設(shè)計；通信中的同步問題；上位機用于分析和處理傳感數(shù)據(jù)的軟件設(shè)計。創(chuàng)新點：將氣體傳感器模塊用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點設(shè)計，達到實時遠程監(jiān)測氣體的目的；用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信號處理分析軟件設(shè)計。,八 參考文獻,[1]黃雙根,吳　燕,黃大星.基于STC89C52新型一氧化碳報警器設(shè)計[J].機械與電子 2009.10[2]朱前偉,孫小進,趙小兵,趙波.基于單片機的一氧化碳傳感器的設(shè)計[J].計算機測量與控制 2009.07[

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