基于传感器无线网络的煤矿危险气体监测系统

㈠ 煤矿安全监控系统的系统组成及工作原理

矿井监控系统一般由传感器、执行机构、分站、电源箱 ( 或电控箱) 、主站 ( 或传输接口) 、主机 ( 含显示器) 、系统软件、服务器、打印机、大屏幕、UPS- 电源、远程终端、网络接口电缆和接线盒等组成。
1) 传感器将被测物理量转换为电信号，并具有显示和声光报警功能 ( 有些传感器没有显示或声光报警功能) ；
2) 执行机构 ( 含声光报警及显示设备) 将控制信号转换为被控物理量；
3) 分站接收来自传感器的信号，并按预先约定的复用方式远距离传送给主站 ( 或传输接口) ，同时，接收来自主站 ( 或传输接口) 多路复用信号。分站还具有线性校正、超限判别、逻辑运算等简单的数据处理能力、对传感器输入的信号和主站( 或传输接口) 传输来的信号进行处理，控制执行机构工作；
4) 电源箱将交流电网电源转换为系统所需的本质安全型直流电源，并具有维持电网停电后正常供电不小于 2h的蓄电池；
5) 传输接口接收分站远距离发送的信号，并送至主机处理; 接收主机信号，并送相应分站(传输接口还具有控制分站的发送与接收、多路复用信号的调制与解调、系统自检等功能；
6) 主机一般选用工控微型计算机或普通微型计算机、双机或多机备份。主机主要用来接收监测信号、校正、报警判别、数据统计、磁盘存储、显示、声光报警、人机对话、输出控制、控制打印输出、联网等。

㈡ 无线传感器在网络中的应用设计

下面是由整理的毕业设计论文《无线传感器在网络中的应用设计》，欢迎阅读。

1引言

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSNs)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信形成一个多跳自组织网络系统，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息，并加以处理，完成数据采集和监测任务。WSNs综合了传感器、嵌入式计算、无线通讯、分布式信息处理等技术，具有快速构建、自配置、自调整拓扑、多跳路由、高密度、节点数可变、无统一地址、无线通信等特点，特别适用于大范围、偏远距离、危险环境等条件下的实时信息监测，可以广泛应用于军事、交通、环境监测和预报、卫生保健、空间探索等各个领域。

2节点的总体设计和器件选型

2.1节点的总体设计

WSNs微型节点应用数量比较大，更换和维护比较困难，要求其节点成本低廉和工作时间尽可能长;功能上要求WSNs中不应该存在专门的路由器节点，每个节点既是终端节点，又是路由器节点。节点间采用移动自组织网络联系起来，并采用多跳的路由机制进行通信。因此，在单个节点上，一方面硬件必须低能耗，采用无线传输方式;另一方面软件必须支持多跳的路由协议。基于这些基本思想，设计了以高档8位AVR单片机ATmega128L为核心，结合外围传感器和2.4 GHz无线收发模块CC2420的WSNs微型节点。这两款器件的体积非常小，加上外围电路，其整体体积也很小，非常适合用作WSNs节点的元件。

图1给出WSNs微型节点结构。它由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成。数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，设计中包括了可燃性气体传感器和湿度传感器;数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等;数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据;电源管理单元选通所用到的传感器，节点电源由几节AA电池组成，实际工业应用中采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩展性，可将数据采集单元独立出来，做成两块能相互套接的可扩展主板。

2.2处理器选型

处理器的选型要求和指标是功耗低，保证长时间不更换电源也能顺利工作，供给电压小于5 V，有较快的处理速度和能力，由于节点是需要大量安置的，所以价格也要相对便宜。选用AVR单片机，考虑到电路中I/O的个数不多，功耗低、成本低、适合与无线器件接口配合等多方面因素，综合对比后，选用Atmel公司的ATmega128L。该微型控制器拥有丰富的片上资源，包括4个定时器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM;拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便无线器件和传感器的接入;有6种电源节能模式，方便低功耗设计。

2.3无线通信器件选型 CC2420是一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，工作于2.4 GHz频段。该器件只需极少外部元件，即可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输单元模块支持数据传输率高达250 Kb/s，即可实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电，具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。

2.4传感器选型

由于WSNs是用于矿下安全监测，常要检测矿下可燃气体的浓度(预防瓦斯气体浓度过高)和空气湿度，所以要选择测量气体浓度和湿度的传感器。

2.4.1 HIH-4000系列测湿传感器

HIH-4000系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组件(SIP)能提供仪表测量质量的相对湿度(RH)传感性能。RH传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其内部具有信号处理功能。传感器的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力，因此可认定它能适用矿下环境。

2.4.2 MR511热线型半导体气敏元件

MR511型气敏元件利用气体吸附在金属氧化物半导体表面而产生热传导变化及电传导变化的原理，由白金线圈电阻值变化测定气体浓度。MR511由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时，检测元件的电阻减小，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度的增大而成比例增大，补偿元件具有温度补偿作用。MR511除具有灵敏度高、响应恢复时间短、稳定性好特点外，还具有功耗小，抗环境温湿度干扰能力强的优点。WSNs的节能和井下恶劣温湿环境要求MR5111可以满足。

3 WSNs节点设计

3.1数据采集单元

考虑到无线传感器网络节点的节能和井下恶劣的温湿环境，为了便于数据采集，系统设计采用HIH-4000-01型测湿度传感器和MR511热线型半导体气体传感器。图2、图3分别给出其电路设计图。

3.2数据处理单元

ATmega128L的外围电路设计简单，设计时注意在数字电路的电源并人多只电容滤波。ATmega128L的工作时钟源可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、外部时钟源等方式。工作时钟源的选择通过ATmega128L的内部熔丝位来设计。熔丝位可以通过JTAG编程、ISP编程等方式设置。ATmega128L采用7.3728 MHz和32.768 kHz两个外部晶振。前者用作工作时钟，后者用作实时时钟源。

3.3数据传输单元

3.3.1 CC2420外围电路设计

图4给出数据传输单元的外围电路。CC2420只需要极少的外围元器件。其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路3部分。

射频输入/输出匹配电路主要用来匹配器件的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50 Ω，同时为器件内部的PA及LNA提供直流偏置。射频输入/输出是高阻抗，有差别。射频端最适合的负载是115+j180 Ω。C61、C62、C71、C81、L61组成不平衡变压器，L62和L81匹配射频输入输出到50 Ω;L61和L62同时提供功率放大器和低噪声放大器的直流偏置。内部的T/R开关是为了切换低噪声放大器/功率放大器。R451偏置电阻是电流基准发生器的精密电阻。CC2420本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。若由内部电路提供时，需外加晶体振荡器和两只负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。设计采用16 MHz晶振时，其电容值约为22 pF。C381和C391是外部晶体振荡器的负载电容。片上电压调节器提供所有内部1.8 V电源的供应。C42是电压调节器的负载电容，用于稳定调节器。为得到最佳性能必须使用电源去耦。在应用中使用大小合适的去耦电容和功率滤波器是非常重要的。CC2420可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置器件的工作模式，并实现读，写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP引脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。

3.3.2配置IEEE 802.15.4工作模式

CC2420为IEEE 802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。其MAC层的帧格式为：头帧+数据帧+校验帧;PHY层的帧格式为：同步帧+PHY头帧+MAC帧，帧头序列的长度可通过设置寄存器改变，采用16位CRC校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。表1给出CC2420的四线串行SPI接口引脚功能。它是设计单片机电路的依据，充分发挥这些功能是设计无线通信产品的前提。

3.3.3 CC2420与单片机接口电路设计

图5给出CC2420与ATmega128L单片机的接口电路。CC2420通过简单的四线(SI、SO、SCLK、CSn)与SPI兼容串行接口配置，这时CC2420是受控的。ATmega128L的SPI接口工作在主机模式，它是SPI数据传输的控制方;CC2420设为从机工作方式。当ATmega128L的SPI接口设为主机工作方式时，其硬件电路不会自动控制SS引脚。因此，在SH通信时，应在SPI接口初始化，它是由程序控制SS，将其拉为低电平，此后，当把数据写入主机的SPI数据寄存器后，主机接口将自动启动时钟发生器，在硬件电路的控制下，移位传送，通过MOSI将数据移出ATmega128L，并同时从CC2420由MISO移人数据，8位数据全部移出时，两个寄存器就实现了一次数据交换。

4结语

通过对于无线传感器网络节点中传感器元件、数据处理模块、数据传输模块和电源的选择，设计了一种以CC2420和ATmega128L为主体的硬件方案。利用该方案设计的CC2420和ATmega128L的外围电路以及两者之间的接口电路。此外，还对传感器与单片机的接口电路进行设计。通过实验验证，设计的硬件节点基本上达到了项目要求，经调试能通过传感器正确真实地采集数据，并实现两个无线节点(两个电路板。AA电池供电)在30 m左右的通信、传输数据、并反映到终端设备。

㈢ 试着设计一个用于煤矿工人井下定位的矿井地下无线传感器网络系统结构方案，并阐述设计的基本思路。

矿井环境监测中通常需要对矿井风速、矿尘、一氧化碳、温度、湿度、氧气、硫化氢和二氧化碳等参数进行检测。现有的监控检测系统需要在矿井内设通信线路，传递监测信息。生产过程中矿井结构在不停变化，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的要求。一旦通信链路发生故障，整个监测系统就可能瘫痪。为解决上述问题，本文提出使用无线传感器网络来进行矿井环境的监测监控。使用无线传感器网络进行环境监控有三个显着的优势：(1)传感器节点体积小且整个网络只需要部署一次，因此部署传感器网络对监控环境的人为影响很小；(2)传感器网络节点数量大，分布密度高，每个节点可以检测到局部环境详细信息并汇总到基站，因此传感器网络具有采集数据全面，精度高的特点；(3)无线传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监控。传感器节点还具有无线通信的能力，可以在节点间进行协同监控[1]。节点的计算能力和无线通信能力使得传感器网络能够重新编程和重新部署，对环境变化、传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应。即使矿井结构遭到破坏，仍能自动恢复组网，传递信息，为矿难救助等提供重要信息。无线传感器网络自身的这些特点特别适用于矿井环境监测。

㈣ 无线传感器定义及其应用实例解析

无线传感器，看到这个代名词，我想大多数人是一头雾水，一脸表现出很茫然的样子。这也并不奇怪，无线传感器，目前还只运用于一些大型检测工作中，自然而然，能够接触到它的也就只是一些专业的工作人员了。比如它可以监测地震，然后将监测到的信息通过无线网络传输到检测中心的无线网卡，直接送入到计算机里边儿。既然我们对它有这么多的疑惑，那接下来我就将向大家介绍介绍什么是无线传感器定义以及它的一些应用实例。

无线传感器的组成模块封装在一个外壳内，在工作时它将由电池或振动发电机提供电源，构成无线传感器网络节点，由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型节点，通过自组织的方式构成网络。它可以采集设备的数字信号通档唤过无线传感器网络传输到监控中心的无线网关，直接送入计算机，进行分析处理。如果需要，无线传感器也可以实时传输采集的整个时间历程信号。监控中心也可以通过网关把控制、参数设置等信息无线传输给节点。数据调理采集处理模块把传感器输出的微弱信号经过放大，滤波等调理电路后，送到模数转换器，转变为数字信号，送到主处理器进行数字信号处理，计算出传感器的有效值，位移值等。

桥梁健康检测及监测

桥梁结构健康监测(SHM)是一种基于传感器的主动防御型方法，可以弥补目前安全性能十分重要的结构中，把传感器网络安置到桥梁、建筑和飞机中，利用传感器进行SHM是一种可靠且不昂贵的做法，可以在第一时间检测到缺陷的形成。这种网络可以提早向维修人员报告在关键结构中出现的缺陷，从而避免灾难性事故。

粮仓温湿度监测

无线传感器网络技术在粮库粮仓温度湿度监测领域应用最为普遍，这是由于粮库粮仓温度湿度的测点多，分布广，使用纵横交错的信号线会降低防火安全系数，应用无线传感器网络技术具有低功耗，低成本，布线简单，安装方便，易于组网，便于管理维护等特点。

混凝土浇灌温度监测

在混凝土施工过程中，将数字温度传感器装入导热良好的金属套管内，可保证传感器对混凝土温度变化作出迅速的反应。每个温度监测金属管接入一个无线温度节点，整个现场的无线温度节点通过无线网络传输到施工监控中心，不需要在施工现场布放长电缆，安装布放方便，能够有效解决温度测量点因为施工人员损坏电缆造成的成活率较低的问题.

地震监测

通过使用由大量互连的微型传感器节点组成的传感器网络，可以对不同环境进行不间断的高精度数据搜集。采用低功耗的无线通信模块和无线通信协议可以使传感器网络的生命期延续很长时间。保证了传感器网络的实用性。

无线传感器网络相对于传统的网络，其最明显的特色可以用六个字来概括即：“自旅禅组织，自愈合”。这些特点使得无线传感器网络能够适应复杂多变的环境，去监测人力难以到达的恶劣环境地区。BEETECH无线传感器网络节点体积小巧,不需现场拉线供电，非常方便在应急情况下进行灵活部署监测并预测地质灾害的发生情况。

建筑物振动检测

建筑物悬臂部分不会因为旁边公路及地铁交通所引发的振动而超过舒适度的要求;通过现场测量，收集数据以验证由公路及地铁交通所引发的振动与主楼悬臂振动之相互关系;同时，通过模态分析得到主楼结构在小振幅脉动振动工况下前几阶振动模态的阻尼比，为将来进行结构的小振幅动力分析提供关键数据。

以上这些看起来很“翻番复杂”的文字呢，就是对无线传感器定义以及它的一些应用实例的解析了，这些也都是我所能了解到的知识信息了，对于无线传感器还有很多与其相关的知识信息，但是在这里我也只能给大家提供这么多了。虽然在我们的日常生活中并不会亲身接触到无线拆蠢尘传感器，但是它却一直在我们的身边，给予我们帮助，为我们“保驾护航”。

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