無線傳感器網絡氣體監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計(開題報告).

1、無線傳感器網絡氣體監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計,,目錄,一 選題的依據(jù)和意義 二 國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢三 研究內容四 準備工作情況和主要工作措施五 工作計劃六 預期成果七 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)災害的困擾。我國煤田火區(qū)主要分布在新疆、寧夏和內蒙古。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)又是全國煤田火災最為嚴重的省區(qū)。據(jù)有關部門估算，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?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)域密集布設無線傳感器

3、網絡氣體監(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)了無線傳感器網絡的特點。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?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”期間單位國內生產總值能耗降低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發(fā)展觀、構建社會主義

4、和諧社會的重大舉措；是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然選擇；是推進經濟結構調整，轉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)經濟又好又快發(fā)展。,二 國內外研究現(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，翻蓋標定罩，美國專利，標定簡便，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。,國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,北京市朝陽區(qū)一氧化碳預警系統(tǒng)是國內氣體傳感器檢測氣體的一個物聯(lián)網的特例。該系統(tǒng)通過在房屋內安裝監(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。,國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,煤炭科學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、外因造成的火災實現(xiàn)就地監(jiān)測和遙測。它采用高性能進口電化學原理的氣體傳感器7E/F(英國CITY)，在整個硬件軟件設計中，采取多種抗干擾措施，滿足國家相關標準的電磁兼容要求，具有性能穩(wěn)定、測量精度高、響應

9、速度快、故障自檢、結構堅固、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，屬于多學科交叉的研究內容。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、計算機技術、信號處理技術、電路與系統(tǒng)、傳感技術、神經網絡技術、模糊理論等多學科綜合技術的基礎上得到發(fā)展。氣敏材料的開發(fā)和根據(jù)不同原理進行檢測器結構的合理設計一直受到研究人員的關注。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，結合仿生學和傳感器技術研究類似狗鼻子的“電子鼻”將是氣體傳感器發(fā)展的重要方向之一。,三 研究內容,,研究內容主要分為以下五個方面：1.有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)設計總體方案；2.無線氣體傳感器網絡組網；3.節(jié)點軟硬件設計；4.氣體檢測模塊研究；5.監(jiān)測控制中心管理系統(tǒng)設計,1.有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)設計總體方案,有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)設計總體方案,,用于煤田

11、火區(qū)空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網絡拓撲結構如圖所示。這是一個層次型網絡拓撲結構，最左邊為部署在實際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點組成的網絡，往右依次為移動網絡、網關，最終連接到Internet網。為獲得準確的數(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，從而形成多個傳感器網絡；傳感器節(jié)點將感應到的數(shù)據(jù)傳送到轉發(fā)節(jié)點，再由轉發(fā)節(jié)點發(fā)送到匯聚節(jié)點sink，匯聚節(jié)點負責將數(shù)據(jù)經移動網發(fā)送到網關上。,2.無線氣體傳感器網絡組網,無

12、線氣體傳感器網絡組網,蜂窩網絡被廣泛采用的原因是源于一個數(shù)學猜想，正六邊形被認為是使用最少結點數(shù)且可以完整覆蓋某一區(qū)域最大面積的圖形，出于節(jié)約設備構建成本的考慮，正六邊形是最好的選擇。蜂窩通常使用正六邊形來表示。無線蜂窩網在提高無線網絡的覆蓋率方面起到關鍵性作用。網絡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，而且網絡具有自配置、自組織和自愈的能力。蜂窩網絡允許節(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，提供自我恢復和自我組織的功能。,3.節(jié)點軟硬件設計,1）傳感器節(jié)點硬件設計,節(jié)點軟硬件設計,2）匯聚節(jié)點硬件設計,節(jié)點軟硬件設計,3）節(jié)點軟件設計,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：量程的大小；被測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。,氣體檢測模塊研究,2）氣體傳感器的性能指標有靈敏度、響應特性(反應時間)、線性范圍。 3）氣體傳感器的種類如下:

15、（1）半導體氣體傳感器 （2）固體電解質氣體傳感器 （3）接觸燃燒式氣體傳感器 （4）光學式氣體傳感器 （5）石英諧振型氣體傳感器 （6）表面聲波氣體傳感器 （7）固體高分子電解質型氣體傳感器 （8）電化學氣體傳感器 其中半導體氣體傳感器分為金屬氧化物半導體氣體傳感器和有機半導體氣體傳感器。金屬氧化物半導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計的基于半導體傳感器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理（放大）電路，輸出模擬量，表征CO的濃度值。該模塊的組成結構見右圖。,氣體檢測模塊研究,5.監(jiān)測控制中心管理系統(tǒng)軟硬件設計,1）監(jiān)測中心硬件設計,監(jiān)測控制中心管理系統(tǒng)軟硬件設計,2）監(jiān)測中心軟件設計,四 準備工作情況和主要工作措施,分析煤田火區(qū)可能產生的有害氣體；查閱氣體傳感器的相關

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，著重了解半導體氣體傳感器和電化學氣體傳感器及其信號的調理電路設計。根據(jù)半導體氣體傳感器TGS2442較高的性能指標和信號調理電路的可行性，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，為將來自行設計適合用于無線傳感器網絡有害氣體監(jiān)測節(jié)點的氣體傳感器采集和調理模塊做好準備。,準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轉換功能，COM2442模塊輸出的是放大的模擬量，需要作模數(shù)轉換。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驅動程序的編寫，結合開發(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)點的硬件設計。學習在上位機上進行數(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，傳感器節(jié)點能夠自主形成網絡。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)測設備的方法，大規(guī)模的網絡具有更強的魯棒性。處于傳感

20、器網絡邊緣的節(jié)點必須通過轉發(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絡上。移動網絡通過移動基站與Internet網連接。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理電路設計，降低整個節(jié)點的功耗；硬件驅動程序編寫；收發(fā)模塊中數(shù)據(jù)融合

21、算法和路由設計；通信中的同步問題；上位機用于分析和處理傳感數(shù)據(jù)的軟件設計。創(chuàng)新點：將氣體傳感器模塊用于無線傳感器網絡的節(jié)點設計，達到實時遠程監(jiān)測氣體的目的；用于無線傳感器網絡節(jié)點的信號處理分析軟件設計。,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計[J].計算機測量與控制 2009.07[

22、3]王廣平,于海勛,王凱.基于單片機C8051F005的一氧化碳傳感器[J].儀表技術與傳感器 2009.08[4]王振軍，張文超，程春榮.基于SnO2氣體傳感器陣列電子鼻系統(tǒng)設計[J].中國水運 2009.11[5]張苗,楊建華,俞俊.基于虛擬儀器開發(fā)平臺的便攜式電子鼻系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器 2007.05[6]張冬泉，譚南林，蘇樹強.Windows CE實用開發(fā)技術[M].清華大學出版社，2009,八 參考文獻,[7]

23、Bin Guo, Amine Bermak, Philip C. H. Chan, Gui-Zhen Yan,“An Integrated Surface Micromachined Convex Microhotplate Structure for Tin Oxide Gas Sensor Array,” IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 7, NO. 12, DECEMBER 2007[8] W. Elmen

24、reich, W. Haidinger, and H. Kopetz, “Interface design for smart transducers,” in Proc. IEEE 18th Instrumentation and Measurement Technology Conf., vol. 3, 2001, pp. 1642–1647.[9] S. A. Bota, A. Diéguez, J. L. Merin

25、o, R. Casanova, J. Samitier, and C. Cané, “A monolithic interface circuit for gas sensor array control and measurement,” Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol.40, pp. 175–184, 2004, to be published.,