甲烷浓度采集

工作室课题设计报告

基于物联网的矿井瓦斯灾害预警系统网络节点设计

班级：电子111

姓名：黄兴海

学号：2011131110

指导教师：刘忠富

目录：

一：设计任务及内容----------------------------------------------------------3 二：系统硬件设计-------------------------------------------------------------5 三：系统软件设计-------------------------------------------------------------6 四：系统调试-------------------------------------------------------------------8 五：课程设计总结-------------------------------------------------------------8 六：参考文献-------------------------------------------------------------------9 七：附录-------------------------------------------------------------------------10

一：设计任务及内容

统计分析表明，全国煤矿瓦斯事故占煤矿事故总数的70%。目前，大多数煤矿瓦斯监测系统采用有线和固定传感器组成的网络，需要在矿井内铺设通信线路来传递监测信息。但在生产过程中，矿井结构不断变化，加之有些坑道空间狭小，对通信线路的延伸和维护提出了很高要求。因此，设计无线矿井瓦斯实时监控、预警系统已成为当务之急，是预防煤矿安全事故的有效手段。

随着物联网技术的发展，无线传感网络也随之出现，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。把无线网络技术、单片机控制技术和瓦斯传感器技术结合起来，可以克服目前矿井瓦斯监测系统存在的缺点，实现高可靠性的矿井瓦斯预警系统。

本系统基于物联网技术，把无线传感网络应用到矿井瓦斯灾害预警系统中，采用Zigbee技术，设计完成瓦斯预警系统中无线传感网络节点的硬件电路设计及软件程序设计，并完成实验样机的调试。

系统的结构框图如下图所示：

瓦斯传感器

Zigbee网络数据处理模块报警与显示模块

图1 系统框图

瓦斯灾害预警系统由传感器、无线射频模块、监控中心上位机等组成。系统构建方法是沿矿井坑道每隔一定距离在坑道顶部设置一个Zigbee网络汇聚节点，在汇聚节点附近放置一些固定的流量传感器节点或动态的流量传感器节点。整个系统由地面监控中心、固定及移动传感器节点组成。如图2所示。

采掘面流量传感节点汇聚节点

无线传感网络

监控中心图2 系统

构建框图

系统由流量传感器节点和汇聚节点2个部分构成。系统框图如图3所示。

流量传感器节点部分：流量传感器节点负责瓦斯传感器数据采集以及将采集到的数据发送给汇聚节点。

汇聚传感器节点部分：汇聚节点负责控制子节点的数据采集和发送，并且负责将各个子节点的数据发送给嵌入式计算机，以供更高层应用。

① 电源模块 矿井工作面提供24V 直流电源，电源模块采用开关电源芯片，在电压波动情况下，稳定输出流量传感器节点所需电源电压；

② 微处理器模块采用高性能能低功耗51单片机，具备无线传感网络应用所需的主要功能； ③ 传感器模块采用电化学型催化元件传感器，元件工作稳定、测量精度较高；

④ 无线收发模块采用支持Zigbee 协议的CC2420芯片，该芯片开发的无线通信设备支持高数据传输，可以实现多点对多点的快速组网功能。

⑤ 显示模块采用高亮共阳极数码管作为显示器，报警模块采用。

二：系统硬件设计

系统整体设计上采用物联网的3层架构形式，由感知层、网络层、应用层组成。感知层应用无线传感器网络技术和传感技术进行数据采集，采用基于ZIgbee的无线传感器网络，实现目标区域各监测点的瓦斯浓度检测，并通过中间的路由节点向汇聚节点传输数据。

感知层的主要功能是对井下瓦斯浓度信息的感知，采集以及浓度超标预警。依据矿井下的复杂环境，在矿井内采用基于Zigbee 的无线传感器网络技术组建成一个无线传感器网络对井下瓦斯浓度进行检测，整个网络由检测节点和汇聚节点组成。

在井下巷道内作业区设置瓦斯检测节点，同时在巷道口设置汇聚节点( 监测基站) 网络中的瓦斯检测节点利用瓦斯传感器采集瓦斯浓度数据信息，数据通过Zigbee网络传输给汇聚节点，汇聚节点上传给地面监控中心，节点上都设有报警电路，对瓦斯浓度超标进行报警!汇聚节点和检测节点的硬件电路类似，只是不进行数据检测以及软件设计中角色的定义有些差异，主要负责网络数据的中继工作!该文着重介绍检测节点的硬件设计。

在感知层，无线传感器网络瓦斯检测节点系统采用了CC2430芯片作为微控制器。系统硬件电路如下图所示。

在瓦斯传感器的选择上，系统采用PT-1.1A气体传感器，主要是考虑到它的低功耗、无需加热、精度高、使用电路简单等特点，PT-1.1A传感器是采用纳米级SnO2进行合理的半导体掺杂，以微珠结构制成的非加热"低功耗"对甲烷高度灵敏的可燃气体传感器。

电源部分，检测节点可以采用2节AA电池作为供电电源;汇聚节点负责接收检测节点传来的数据和向上传输数据，时刻等待接收检测节点的数据，所以能耗相对较大，因此在电源设计上可采用市电供电。

传感器信号调理电路的设计由于载体催化元件的工作元件由温度变化引起的电阻变化量有限,在相应的瓦斯浓度变化范围内,浓度变化引起的输出信号的变化极其微弱,必须采用合适的微弱信号调理电路才`能将其检测出来。本文设计的信号调理电路如图下所示：

三：系统软件设计

软件的设计是根据系统节点的类型和功能决定的，根据系统的硬件设计，监测系统节点分为汇聚节点和检测节点2种类型，汇聚节点不进行数据采集，也不执行休眠状态，主要负责组建网络，接收处理所有检测节点上传的数据，发送控制命令，分配地址以及允许子节点加入网络等功能，汇聚节点软件流程图如图3所示。

图3汇聚节点软件流程图

检测节点主要功能有: 接收采集指令进行数据采集; 对数据存储处理判断; 浓度超标报警; 向汇聚节点( 基站) 传输数据!考虑到能耗因素，检测节点采用唤醒和休眠这两种工作机制来降低能耗!当无事件发生时节点处于休眠状态，处理器停止工作，无线模块处于低电流的待接收状态，当接收到汇聚节点或是邻节点发出的命令后，节点自动醒并唤醒其邻节点，进入工作状态，完成数据的采集"判断与传输的任务，当瓦斯浓度数据大于阈值时发出预警信号并自动报警，之后再进入休眠状态，检测节点软件流程图如图 4所示。

图4检测节点软件流程图

四：系统调试

系统调试的内容主要有硬件调试和软件调试。

硬件的调试主要在于气体传感器的调试。按照设计的电路图焊接电路板，可实际没能实现气体采集的功能。通过上网和从图书馆查阅资料、仔细的用万用表一步一步地调试，终于找出了问题所在，成功的实现了气体的采集。

软件的调试部分没有太大的难度，主要的错误在代码的编写。通过查质料和请教他人，最终完成了设计。

调试的现象如附录1所示。

五：课程设计总结

此次工作室课题设计，制作了以物联网为基础的矿井瓦斯气体的检测系统。通过对危害气体浓度的检测，当其浓度超标时就会报警以提示施工人员有险情，并离开现场。物联网的智能瓦斯监测系统，分别从系统的感知层、网络层、应用层3个方面进行了设计分析，系统充分发挥了物联网技术在煤矿井下应用的优势，实现了井下瓦斯浓度数据的无线实时准确的检测与传输，让地面控制中心人员及时准确了解井下的瓦斯浓度情况，据此开展各项工作起到预防和避免瓦斯灾害发生的作用，体现了感知矿山这一理念，随着物联网的快速发展，其在煤矿生产中的应用会越来越广泛，对促进整个煤矿行业安全生产具有重要意义。

在这次的课程设计中，我们学到了很多东西，尤其是对物联网的相关知识有了很大的提升，对无线传输的技术也有了很大的体会和应用。同时锻炼了自己的动手的能力和做事的能力和决心，总之，这次的课程设计我收获了太多的东西，受益颇丰。

参考文献：

[1]李文.物联网技术及其应用.福建电脑，2010(9).

[2]吕振，董璞.基于无线传感器网络瓦斯监测系统设计.微计算机信息,2010.

[3]方刚，任小洪，贺映光等.基于Zigbee技术的煤矿监测系统.仪表技术与传感器,2010(12).

附录1：

附录2

void ADInit(void)

{

uint ADCREGValue = 0;

SET_IO_PORT_DIR(0,6,IO_IN);

ADC_ENABLE_CHANNEL(6);

ADC_SINGLE_CONVERSION(ADC_REF_A VDD|ADC_12_BIT| ADC_AIN6); ADC_SAMPLE_SINGLE();

while(!(ADCCON1&0x80)) ;

ADCREGValue = ADCL>>4;

ADCREGValue |= ADCH<<4;

ADCValue = (float)(ADCREGValue/(float)2048)*3.3;

}

void UARTInit(void)

{

PERCFG = 0;

P0SEL = 0x3c;

P2DIR &= ~(3<<6);

U0CSR |= (1<<7);

U0GCR |= 0x09;

U0BAUD |= 59;

UTX0IF = 1;

U0CSR |= (1<<6);

IEN0 |= 0x84;

}

void UARTSend(char *data,int length)

{

int i;

for(i=0;i

{

U0DBUF = *data;

data++;

while(UTX0IF==0);

UTX0IF = 0;

U0DBUF =0x0A;

while(UTX0IF==0);

UTX0IF = 0;

}

void main(void)

{

char i = 0;

char TempValue[10];

float average ;

char len;

P1_0 = 0;

ClockInit();

UARTInit();

SET_IO_PORT_DIR(1,0,IO_OUT);

IO_FUNC_PORT_PIN(1, 0, IO_FUNC_GIO); IEN0 =IEN1=IEN2 =0;

while(1)

{

average = 0.0;

for(i=0;i<64;i++)

{

ADInit();

average +=ADCValue;

}

average /=64;

LED();

sprintf(TempValue,"%fV\r",(float)average);

len = strlen(TempValue);

UARTSend(TempValue,len);

Delay(500);

}

}

void ClockInit(void)

{

CLKCONCMD = 0x28;

while(CLKCONSTA & 0x40);

}