监测传感（精选12篇）
监测传感 篇1
建筑节能运行和改造需建立在获取照明、消防、空调等建筑用能信息的基础之上, 在接收到数据进行分析之前, 各类用能数据的传输是一个关键问题。传输主要采用综合布线, 在建筑内布设大量线缆实现传输, 此方式存在施工复杂、代价高、影响建筑内部美观等缺点, 这是有线传输方式固有缺陷所决定的, 而采用无线传输方式则能有效克服。相较于CDMA、GPRS、WL AN等传统的无线传输方式, 作为物联网基础组成的WSN (wireless sensor network, 无线传感网) 技术更适合于建筑用能信息传输的应用场合。
WSN在建筑能耗监测中的适用性
建筑能耗监测平台的组网总体结构图如图1所示, 在系统的数据采集端采用WSN技术进行组网。整个WSN网络由若干个终端采集器以及一个汇聚采集器构成。通常将WSN的终端采集器称为采集节点, 将汇聚采集器成为汇聚节点。采集节点负责数据的采集和传送, 以及根据汇聚节点的控制命令设置相应的工作模式等;汇聚节点是网络的中心, 起到协调器和网关节点的作用, 汇聚节点负责整个区域网络的维护与数据的汇集, 再将数据通过Internet/GSM/CDMA上传到上级数据中心或中转站。系统最大特点就是基于WSN技术进行信息采集, 利用WSN节点与电表等与用能设备连接, 通过无线自组网方式自动采集分散在各处的电、水、气、冷热量等实时数据, 使用户随时监测现场耗能设备的运行数据, 为今后实施节能反馈控制系统的研发提供基础, 以达到优化能源供应、提高能源管理水平、提高能源利用效益、减少能源损耗、节约能源成本的目的。
基于WSN技术的建筑能耗监测系统属于WSN与节能的交叉领域, 以WSN和计算机信息处理为技术核心, 建设先进、功能强大的信息采集处理平台。该系统适用于各种既有和新建建筑, 系统组网方便, 不占空间, 无需综合布线施工, 项目实施快速方便。
在各种无线传感网技术中, Zig Bee的自组网能力以及高容量特性使其非常适合建筑能耗监测系统的应用, 在节点分散、数量众多、低速率传输的能耗监测采集端建设中, 有明显的优势, 是当前最适合建筑能耗监测系统数据传输的技术。
除了组网方便、安全、可靠, Zig Bee还有低传输速率、低功耗、高容量、低成本等特点。Zig Bee非常适合有大量终端设备的网络, 如能耗监测、楼宇自动化等场合。
自组网过程
对某个能耗监测区域而言, WSN网络包含一个Zig Bee汇聚节点和若干Zig Bee采集节点。汇聚节点在通信状态下, 每隔一段时间发送一次时标帧, 在汇聚节点通信范围内的采集节点在侦听状态下侦听到汇聚节点发送的时标帧, 确定汇聚节点为目标父节点, 并在下面的接入状态向目标父节点发送接入请求之后组成一个WSN网络。已经接入网络的节点通过转发时标帧, 向周围节点表明自己的存在, 其他未入网的节点在侦听状态下, 发现已经入网的节点并作为自身的目标父节点, 然后在接入状态下通过这些最先加入网络的节点作为中继加入网络。依次类推, 若干的Zig Bee采集节点和一个Zig Bee汇聚节点构成了WSN网络。为了延长网络生存时间, 降低节点功耗, 所有节点都会定时进入休眠阶段, 关闭射频收发器, 保持超低功耗工作, 最大限度地节省节点能量, 在定时器到期后节点被唤醒恢复正常工作状态并开启射频收发器。WSN网络中的所有节点定时在通信阶段和休眠阶段交替工作, 以保证网络的生存时间要求和通信要求。各WSN网络数据再通过无线网由将采集数据推送到数据中心进行分析处理。
WSN实施优势
内网组网灵活, 可随时增加或减少传感节点;
无需综合布线, 减少工程量与布线成本、提高安装速度;
与多种通信主干网融合, 方便用户实现远程监控;
WSN端机体积小、功耗低, 价格低;
根据WSN协议自动组成通讯内部网络;
系统易于维护, 任意节点的故障不会影响系统工作;
具有本地数据存储功能, 确保数据完整性;
减少建立建筑能耗及环境监测系统所带来的施工量以及综合布线对环境的影响, 减少投资和工期, 特别适用于既有建筑和设施。
设备改造方式
如果用户已有电表、水表等, 且带有485口, 则可直接接入采集器, 如已有仪表不支持485口, 则需要改造和更换设备。每户的总表最后统一为带485口的多功能表, 外接带无线传感模块的采集器, 可以每15分钟上送一次电量、电压、电流、功率因素等数据。数据采集频率可根据具体需要灵活设置, 数据采集频率可在15分钟/次到1小时/次之间调整。
设备改造的原则:在一定投资成本和不改动已有配电线路的前提下, 以最大程度地获得能耗公示需求数据为目标, 在既有配电支路上无拆换、无干扰方式安装。
WSN与通信网的融合应用
在节点分散且数量众多、需要低速率传输的组网要求下, 运用Zig Bee技术应是最佳解决之道。
WSN与基础通信网的融合思路已经得到通信运营商的重视, 目前中国移动正与上海微系统所合作研究该课题, 希望通过基础通信网络与组网灵活的WSN网络相结合实现更全面的网络覆盖, 获得网络增值;在上海世博会场馆建设中, 中国移动与上海微系统所及诺基亚公司共同合作, 利用该思路开展不同场馆信息展示、参观者追踪等多方面的应用;此外, 上海移动还将这种融合思路应用到智能停车位监控业务中, 实现全上海停车位的预订、统计、付费等功能。对于WSN等一些新兴技术, 示范应用非常重要, 如果示范做得好, 就能带动一批类似项目出现, 为通信运营商带来更多的增值业务。
监测传感 篇2
基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统
解决方案
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基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统解决方案
目录
1.目前国内烟草仓库环境监测系统现状分析....................................................................3 2.现有仓库环境监测技术现状分析......................................................................................3 3.基于无线传感网烟草仓库环境监测系统的应用...........................................................4 3.1．基于无线传感网烟草仓库环境监测系统简述.......................4 4.基于无线传感网烟草仓库环境监测系统的功能...........................................................5 5.基于无线传感网烟草仓库环境监测系统的优势...........................................................7 6.产品介绍....................................................................................................................................8 6.1物联网网关....................................................8 6.2无线路由单元..................................................9 6.3无线水浸检测器...............................................10 6.4无线温湿度检测器.............................................10 6.5无线烟感探测器...............................................11 6.6无线明火探测器...............................................11 6.7无线门磁传感器...............................................12
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基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统解决方案
1.目前国内烟草仓库环境监测系统现状分析
目前国内大部分成烟和烟叶仓库还是沿用传统的仓储管理方式，缺乏自动监控设备，只是进行简单的入仓数量管理，以及常规的防霉变、防烟虫处理，对烟叶醇化机理没有足够的认识，使得精选优质烟叶往往在存储过程中品质下降，不能生产出高质量的卷烟成品，带来了不小的因库耗而造成的经济损失。
烟草行业对如何提高卷烟品质进行深入研究后，发现卷烟生产和销售过程中的仓储环境对卷烟品质影响很大，传统烟草仓库环境质量采用人工测量记录，管理人员对仓储环境缺乏有效的监测手段。因此，加强对烟草仓库环境质量监测，降低烟叶库耗，提高烟叶利用率，具有非常重要的实际意义。
2.现有仓库环境监测技术现状分析
目前室内仓库的环境监测系统分为无线监测系统和有线监测系统两种，大多数系统是基于有线监测设备建立起来的。有线监测系统存在的缺点有： 1）.有线监测点的布置需要大量走线，布置方式不灵活，只能在一个固定位置，不能根据需要移动；
2）.监测点数量由于通信布线成本限制而不能大量布置，造成监测力度不够，存在监测数据不能全面反映实际的环境质量的可能，甚至存在监测盲区； 3）.有线监测点线路检查和维护需要大量的人力物力，若多个仓库实现集中管理会极大的增加安装成本，不利于构建大型的远程控制系统。
基于无线传感网技术的仓库环境监测系统具有高扩展性、可靠性、安全灵活、维护简便等优点。
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基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统解决方案
3.基于无线传感网烟草仓库环境监测系统的应用
3.1．基于无线传感网烟草仓库环境监测系统简述
基于无线传感网烟草仓库环境监测系统结构图，如图所示：
如图1 所示
如图2所示
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基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统解决方案
如上图所示，烟草仓库环境监测系统有集控中心、物联网网关、路由单元、无线传感器（如温湿度、水浸等）部分组成，烟草仓库环境监测系统采用分级分布式结构，在各工业生产残酷、销售公司卷烟成品仓库、原料基地烟叶仓库分别设置仓库监控子站，通过分布在仓库内的传感器检测和实时数据采集装置将检测数据传送到上一级监控站的监控及数据服务器，根据操作人员的指令或自动设置仓库的空调和通风除湿设备进行远程控制。如图1、2所示，视频监控系统通过有线形式与集控中心进行通讯，仓库环境监测系统通过无线传感器（如：温湿度、水浸等）把环境中的数据信息，通过无线的形式传输给路由单元，路由单元通过数据转发给网关，网关通过以太网传输给集控中心，因此，集控中心通过烟草仓库监测系统能够对仓库内环境信息实时监测，通过视频监控系统对仓库内人员的流动、设备的情况及安全情况，进行实时监控。
烟草仓库环境监测系统24小时自动数据采集，系统可以列表、图形显示监控数据，可自行设置温湿度上下限，超限时数据红字报警，传感器蜂鸣，系统可将监控系统记录下来并保存后的任意时间段、任意种类（如温度或湿度）、任意操作记录以各种形式（word、Excel等）电子文档导出可供使用，并可通用任何打印机将报表或图形打印出来，历史数据安全存储备份。
4.基于无线传感网烟草仓库环境监测系统的功能
（1）保证烟叶的产品质量
在自然状态下，仓库的环境根据气候的变化不能持续满足存储要求，所以需要有效地控制仓库中的温度和湿度，给烟叶存放带来一个安全的环境。在实际生产中，烟叶仓库的人工监管存在许多难以避免的人为因素失误，并且对烟叶堆垛内部的温湿度测量更是难以保证数据的及时、准确和可靠。而烟叶仓库监测系统将温度、湿度传感器布置烟叶堆垛内部和残酷的适宜位置，可以实时测量残酷各处的温度和适度并及时传送给监控室，测量数据能实时显示在监控室的电脑屏幕上，保证监控人员能够全面了解烟叶仓库的情况。一旦某点温度、湿度超过预定设置，系统将迅速向监控人员报警，详细显示库房具体位置的异常温度、湿度变化，并指导烟叶翻垛及通风等生产操作，可以有效预防因温度、湿度变化引起的烟叶变质等各种事件发生。
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基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统解决方案
（2）有助于研究烟叶自然醇化机理
烟叶仓库环境监测系统采集了烟叶的醇化过程中的第一手环境资料，它有助于合理地掌握自然醇化速度调控，也为研究醇规律和醇化预测模型提供大量信息，可以逐步建立库存烟叶醇化质量信息档案，并根据烟叶醇化质量提出合理的使用建议。
（3）提高生产效率和管理水平
烟草仓库实时监测管理系统跟人工监管相比具有不可比拟的优势，系统实时性好、可靠性高、操作简便，可有效地提高生产效率和管理水平。烟草仓库监测系统数据采样间隔时间短，监测数据既能定时传输夜可随时召唤，布置在烟叶堆垛内的定点监测比人工临时测量更稳定和更准确。烟草仓库实时监测管理系统可以实现自动化生产管理，是烟草行业信息化系统的重要组成部分。
（4）保障生命安全
烟草仓库环境监测系统将已有的气体传感监测装置、防火报警装置和视频防盗装置结合起来，实现监测环境温湿度、检测室内易燃气体、非法闯入报警等系统功能，形成一个全方位的仓库环境安全监测系统，可以有效保障生产安全。
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5.基于无线传感网烟草仓库环境监测系统的优势
1.施工方便：无需接拉数据线，只需要有220V市电或直接使用电池供电，对于扩容和旧有系统改造非常方便。并且组网是自动生成的，不需要人为干预，安装上基本就可以工作。
2.可靠性高：嵌入式与专用低功耗器件、精简的射频电路以及组网的多路径冗余备份，使系统里的设备可以可靠稳定地运行
3.扩展与增容方便：增加新类型和新的节点只需要安装节点本身即可，无须改造数据线/装修/布局等。因为容量高，不需要增加新的网关设备，只增加节点即可
4.零运营成本:单网关的高容量、近乎于零的施工成本、平与增容方便：增加新类型和新的节点只需要安装节点稳的扩容能力，使得项目总体成本远低于传统方案。可以降低用户系统总造价，可以为工程和方案提供商提供更高的效益空间
5.实时监测：实时监测仓库内环境信息，一旦发生变化，集控中心会发出报警同时显示相对应的区域范围。
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6.产品介绍
6.1物联网网关
产品介绍：
安装在仓库内，与安装在仓库内的无线路由单元和无线传感器通讯，将仓库内环境信息（如:温湿度、水浸等）通过以太网上传到集控中心。
产品特性： 20S快速组网
黑白名单节点认证管理
支持3G、GPRS、wifi、RJ45上行接口
支持双信道的无线、RJ45、RS485、RS232下行接口
内置系统管理WEB Server 双WDN业务信道
满足7*24小时全天候连续工作
金属外壳设计，高可靠性与安全性 性能参数：
频段：433～510MHz 速率：40kbps 传输距离：无遮挡 800米/1700米/2000米以上
严重遮挡：50米/160米/200米
组网容量：200～500点
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6.2无线路由单元
产品介绍：
安装在仓库内，负责将仓库内的数据通过无线传输到仓库内的物联网网关上。同时负责将其它较远无法直接进行无线通讯的设备进行无线数据路由的职责，通过多跳将无线数据传输给物联网网关。
产品功能：
信号覆盖 数据转发 构建子网 多径备份 信道隔离 硬件接口：
2个天线接口:1个与上级汇聚网关通信，1个与下级传输单元通信 天线接口：标准SMA接口
4路RS232/RS485接口:可用于接入采集设备 1路RJ45接口
指示灯：具有“Power”、“组网”、“4个数据收发指示灯“共6个指示灯
拨码开关：用于设置RS232/RS485接口类型 复位按钮:复位按钮对系统进行恢复默认
性能参数：
电源：DC 12～24V 天线接头:SMA标准接头 安装方式:壁挂/其他
工作环境：工作温度-20℃～+70℃，工作湿度 5%～95%（无结露）
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6.3无线水浸检测器
产品介绍：
能够实时在线监测安装位置（场所）是否浸水，并实时的将水浸状态通过物联网路由节点上传到监测系统平台中心，以达到监控告警的目的。应用范围：大量用于通讯基站、宾馆、饭店、精密机房、图书館、仓库以及其他在积水需要报警的场所。
产品特点：
成本低、高可靠性 易于安裝、操作方便 质量可靠，耐用性高 6.4无线温湿度检测器
产品介绍：
本系列产品可对要求范围内的温、湿度进行测量。采用进口SHT11传感器芯片，传感器性能可靠，使用寿命长，响应速度快，湿度测量的温度范围宽。本产品主要应用领域是针对配套供电环境不便的场合，如通讯机房、办公室、仓库、医院、档案馆、博物馆、制药厂、食品厂等地方进行温湿度监测，实现信号无线远传。
产品特点：
无线安装，简单方便，测量精度高 网络节点多，测量距离远，抗干扰能力强 低功耗，工作稳定性强，使用时间长
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基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统解决方案
6.5无线烟感探测器
产品介绍：
是基于无线传感网技术设计可探测空气中烟雾的浓度并发告警音，同时还内置了温度感应器，能检测到空气中的温度，当空气温度高于65℃时提出告警声。除此之外，它还能与警报设备绑定，发出无线触发信号，启动警报器发出警报。
产品特点：
内置Router温度感应器，具有温度感测功能 与CIE报警设备使用 内建无线开关警报器 紧凑尺寸 备用电池电源 被触发后，指示灯闪烁 6.6无线明火探测器
产品介绍：
无线明火传感器可探测到火焰中的紫外线，并予以警报。它不仅可以通过声音报警，它还装备有C(C/N——N/O)输出——可以满足专业人员的需要。另外，LED记忆能使您从一系列传感器中找到最初报警的传感器。区域调整装置使得预警区域角度更加宽阔，传感器和基座的快速分离使安装和维修变得简单轻松。
技术参数：
探测系统: 紫外线探测（探测波长185到260nm）
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基于无线传感网的烟草仓库环境监测系统解决方案
探测区域: 长度 33英尺(10米)2.75"(7厘米)面前的打火机火焰 电 源:（10-30）V DC（无正负极） 电 耗:静止时： <25mA 报警时: <75 mA(警铃开)<40 mA(警铃关) LED报警 ： LED(红色)：亮灯延迟10秒。 记忆LED(黄色)：记忆指示时灯亮，电源接通时闪烁。
报警声（蜂鸣声）: 报警：在延迟10秒内，每0.2秒间歇发声。 音量：80 dB或更高 3.3英尺(1米)(可选择无声设置) 容量： 30V/0.25A 环境温度:-10～+60℃（无凝结） 安装:室内安装（顶棚或墙壁安装） 重量:大约150克（5.25oz）6.7无线门磁传感器
产品介绍：
无线门磁传感器用来监控门的开关状态，当门不管何种原因被打开后，无线门磁传感器立即发射特定的无线电波，远距离向主机报警。无线门磁的无线报警信号在开阔地能传输100米，在一般住宅中能传输50米，和周围的环境密切相关。
产品参数：
外形尺寸：71x36x15.4毫米 发射功率：30毫瓦 工作电流：10毫安
工作电压：12V，A23报警器专用电池
监测传感 篇3
关键词:无线传感网络;楼宇能耗监测
中图分类号:TP212.9文献标识码:A文章编号:1000-8136(2010)02-0149-01
对楼宇的各项能耗指标进行计量、分析及综合比较能够实时定量地把握建筑物能源消耗的变化,可以发现节能潜力并找到用能不合理的薄弱环节,因此,能源计量是建筑节能的关键所在。对重点建筑能耗进行实时监测和节能监管,通过对能源的审计和诊断,找出真正浪费能源的根源,为建筑节能工作产生重大的推动作用。
1 无线传感网络
无线传感器网络,简称WSN,由一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络,其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并将信息发送给观察者,集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统,具有低成本、低功耗、低数据速率、自组织网络等特点。IEEE 802.15.4协议标准主要用于低速无线个人区域网及无线传感器网络应用,是ZigBee的物理层和MAC层的主要支撑技术。该标准由于采用了简单的物理层和MAC层协议而使得其具有低功耗、低成本等特征。
2 楼宇能耗监测系统
本文主要根据楼宇能耗监测系统本身监测点大量且分布较紧密的特点建立基于无线传感网的网络系统平台。楼宇内在待测的每个房间内根据要求安装传感器节点,并将节点上的执行机构控制线与电源开关及空调的控制机构相连,楼宇内节点部署分布见图1。
无线传感器网络由无线传感器节点、网络协调器和中央控制点组成。大量传感器节点部署在待监测楼宇的每个房间内,能够通过自组织方式形成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到网络协调器,最后到达中央控制点。在这个过程中,传感器节点既充当感知节点,又充当转发数据的路由器,用户通过中央控制点(在远程客户端或本地监控中心)对无线传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。
3 结束语
利用无线传感网络实现的智能楼宇能耗监测系统在屋内安装上传感器节点可以在人们忘记或没能及时关上室内的电脑、电灯等办公室用电产品,或者室内的空调设定温度太高/低等,可以及时切断电源、控制室内温湿度,避免这些不必要的能源浪费。
Building Energy Consumption Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks
Guo Chenxia
Abstract: In this paper,wireless sensor networks and wireless sensor networks based on the Intelligent Building of the overall energy consumption monitoring system architecture.
基于传感网的电缆监测系统实现 篇4
1.1 概述
电缆过负荷发热会引起内部绝缘介质强度下降,当运行中的电缆温度超过规定值时,由于热的作用,绝缘纸粘度会降低并引起纸变脆,造成绝缘强度降低;当绝缘纸失去绝缘强度时,金属导线就会由于没绝缘而短路产生电弧起火。而交联聚乙烯电缆当温度超过规定值时,轻者引起绝缘老化缩短寿命,严重时绝缘材料熔化,金属短路引起火灾[1]。基于无线传感器网络的电缆监测系统通过检测电缆的关键连接处,能有效的识别高压电缆的过热现象,为电缆设备的故障提供预警。
1.2 无线电缆监测网络
无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的,美国国防部高级研究所计划署(DARPA)于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究,这被看成是无线传感器网络的雏形[2]。无线传感器网络应用广泛,在电力系统中可以用于实时监控周围环境的温度、湿度、电磁强度等数据量,为整个系统的部署提供必要的参考。同时,无线传感器网络的应用也有助于远程控制系统的性能,监视系统的运行情况。在电力系统中应用无线传感器网络,可以有效提高系统的运行效率,减轻人工维护的负担,是整个系统的一个有益补充[3]。无线电缆监测网络硬件如图1所示,无线温湿度传感器主要由SHT11和无线模块构成,可以采用ZIGBEE协议栈组织数传网络[4],并将温湿度信息通过中心节点,发送至监测服务器,短信模块用于将报警信息发送至管理员手机。采用无线传感网络对高压电缆进行监测,发挥了无线的优势,解决了对不宜接近测量的高压线缆的监测问题。
1.3 监测软件设计
本系统主要包括三部分,即数据采集模块、无线传感网络及网关、监控服务器。如图2,监测软件位于计算机接口上,可以认为是对接口数据的获取、处理编程。无线传感网的网关通过串行口与监测服务器连接。监测软件基于微软Visual basic 6.0开发平台,调用串行口控件,与网关通讯。各采集点每3分钟采集一次温度信息,并通过无线传感网发送至网关,最终到达监控服务器,服务器软件收到各个监测点的温度信息后,与正常阈值对比,如果发现有异常发生,即发出蜂鸣报警和短信报警。
系统软件的关键是调用Visual basic串口控件,进行串口的操作,这需要设置波特率、停止位、校验位等参数[5],本系统中使用波特率是9600bps,停止位为1,校验位无。当网关收到温度信息后,立即通过串口发送至监测服务器,此时,串口控件会产生串口数据事件,通知应用程序接收数据,应用程序则调用相应处理函数,将对应得监测点的温度信息,记录到ACCESS数据库[6]。
当报警发生时,应用程序即调用串口控件,按照短信命令格式发送报警命令至短信模块[7],短信模块即将报警信息发送给预先设置好的管理员手机。管理员获取报警信息后,可立即通知现场处理异常情况,以保证线缆安全。
根据实际需求,设计监测软件界面如图3,各个监测点的温湿度信息每1分钟刷新一次,如果有异常则会发出闪烁报警。
2 结论
通过基于无线传感网的电缆监测系统,使传感网通过网关与服务器监测软件建立的数据的通道。监测软件界面简洁、明了,配合数据库的使用,使温度数据被记录和处理,并在发现异常数据时通过短信模块通知管理员,该系统可以对电网中的线缆进行有效的监测,此外该系统也同样适合于开关柜中的温度监测[8],有助于电网监控智能化的实现。
摘要：随着输电线路的不断扩展,为了更好的保证线路的安全、保障用户的安全用电,该方案基于无线传感器网络技术,利用无线温度传感器,测量人不易靠近的高压线缆的温度,并将温度信息汇集到网关,最终送至监测服务器,进行数据的分析处理,形成了电缆监测系统方案,该方案的实现可以对电网中的线缆进行有效的监测,有助于电网监控智能化的实现。
关键词：无线传感网,电缆监控,数据库,无线传感器,ZIGBEE
参考文献
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监测传感 篇5
科学有效的碳排放与碳汇监测将提升我国在应对全球气候变化的国际事务中的话语权，并为国家发展低碳经济提供科学依据。由于城市和森林生态系统的时空异质性和尺度复杂性，大范围、长期、持续、同步监测城市和森林生态关键指标存在困难。作为沟通物理世界和数字世界的桥梁，无线传感网在碳排放和碳汇监测中具有得天独厚的技术优势。开展大规模传感网的基础理论与关键技术研究，构建相应的典型应用系统，可以为碳排放与碳汇监测向多站点联合、多系统组合、多尺度拟合、多目标融合的方向发展创造条件。在科学基金等项目的持续支持下，我国已经具备了开展相关研究的基础队伍和研究条件。本重大项目围绕“大规模资源受限型无线网的组网、定位和诊断”和“海量进化型感知数据的认知和管理”两大科学问题，通过多学科交叉研究，构建具有国际领先水平的开放共性实验平台，促进无线传感网基础理论、关键技术与规模化应用的有机结合，为建立与完善我国物联网理论和应用技术体系框架奠定基础。
一、科学目标
本重大项目从大规模无线传感网的基础科学理论、综合实验平台、典型应用示范三个层次开展基础科学问题和关键技术研究，力争在大规模无线传感网面临的“大规模资源受限型无线网的组网、定位和诊断”和“海量进化型感知数据的认知和管理”两大科学问题上取得突破，解决无线传感网传感失谐、诊判失据、模型失用和评测失调等基础理论和关键技术难题，为物联网应用发展提供理论与技术支撑。
无线传感网在环境监测、灾害预警、工业控制、智能交通、远程医疗等领域，国内外已有诸多相关研究和系统部署，但无线传感网技术仍面临规模化应用壁垒：当前典型无线传感网系统的总规模不超过数百个节点，通常仅覆盖一个或几个较小的试验性区域，仅支持几跳甚至单跳数据收集；受制于能量效率、系统管理和网络维护技术，传感网可持续运转时间也无法满足对城市和森林进行长期持续监测的需求。本重大项目争取在基础理论和关键技术取得突破的基础上，结合生态定位观测站构建一个覆盖城市和森林的大规模多维碳排放与碳汇监测无线传感网实验平台，为碳排放与碳汇评测标准的建立提供科学依据。力争在综合实验平台和典型应用示范中实现传感网系统总规模达到上万个节点、网络覆盖面积超过100平方公里，以无线多跳自组技术实现10跳以上数据收集，单基站传感子网最大控制节点数超过1000个节点。
二、研究内容
1．非绑定自组织网络的弱状态路由与后IP寻址
突破传统IP方式相对固定架构（绑定物理位置、绑定物理连接）的限制，研究动态环境下大规模无线传感网的非绑定路由模型与网络架构。
2．持续进化型海量感知数据的量质融合管理
面向碳排放和碳汇长期监测、测量的需求，针对传感网数据持续变化和质量低的特点，研究持续进化型海量感知数据的量质融合管理的基础理论和关键技术。
3．规模型泛在系统非基于领域知识的自演化与自导向诊断
针对野外监测环境复杂多变、节点和数据传输不可靠的特点，研究网络智能再生机制，非基于领域知识、具有鲁棒性的系统自演化技术，及自导向的节点自我诊断方法。
4．规模型无线网络可定位性理论与非测距定位方法
针对环境监测应用的特点，突破传统基于精确测距的定位方法带来的局限，探索复杂环境下无线网络的自组织定位方法。
5．规模化自组织传感网在碳排放和碳汇监测中的典型应用
突破传感网技术规模化应用壁垒，针对城市和森林的碳排放与碳汇监测开展典型应用，为碳交易、节能减排效果以及碳汇能力评估提供科学依据。
三、资助期限 5年（2012年1月至2016年12月）
四、资助经费 2000万元
五、申请注意事项
1.申请书的资助类别选择“重大项目”，亚类说明选择“项目申请书”或“课题申请书”，附注说明选择“面向碳排放与碳汇监测的大规模无线传感网理论与关键技术”（以上选择不准确或未选择的项目申请将不予受理）。
2.“项目申请书”中的“主要参与者”只填写各课题“申请人”相关信息；“签字和盖章页”中“依托单位公章”盖“项目申请人”所属依托单位公章，“合作研究单位公章”盖“课题申请人”所属依托单位公章。
3.“课题申请书”中的“主要参与者”包括课题所有主要成员相关信息；“签字和盖章页”中“依托单位公章”盖“课题申请人”所属依托单位公章，“合作研究单位公章”盖合作研究单位的法人单位公章。
4.“项目申请书”和“课题申请书”应当通过各自的依托单位提交。
5.重大项目只接受整体申请，要分别撰写项目申请书和课题申请书，不接受仅针对项目指南中某一部分研究内容或一个课题的申请。项目整体申请课题设置不超过5个。每一个课题一般由1个单位承担，最多不超过2个，项目承担单位数合计不超过5个。项目主持人必须是其中1个课题的负责人。
监测传感 篇6
【关键词】环境监测；生物传感器；应用价值；分析
【中图分类号】X835【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0049-01
引言：随着社会的发展，工业农业的快速发展，环境污染问题也日趋加剧，目前环境保护问题已经成为人们的共识，环境保护及环境污染控制已经成为目前环境监测人员工作的核心内容。对环境进行管理、控制污染、为环境评价与环境规划提供准确且全面的环境质量状况的信息，这些都是实施环境监测的重要目的所在[1]。而生物传感器所包含的特点有好的特异性、高灵敏度、分析速度快并且在复杂的体系中能够在线进行连续监测等，它属于一项新的高新技术，因此在环境监测中具有重要的作用。
一、在大气环境监测中的应用
最常见的影响大气环境的污染因子有TSP、S02、C02和NOx等，其中危害最大的是S02和NOx，这两种因子是形成酸雨和酸雾的主要成分，同时，NOx还是主要的光化学污染引发因素。采用传统的检测方法检测S02、NOx，不但方法复杂，还经常出现重现性差的检测结果。因此在大气环境监测方面广泛应了用生物传感器。
1、对S02的监测
采用氧电极和肝微粒体（需含有亚硫酸盐氧化酶）制成的生物传感器应用于S02的监测。通过对雨水中的亚硫酸盐浓度进行测定来体现S02的的含量。依靠传感器里面的微粒体对亚硫酸盐进行氧化，与此同时还消耗一定的氧，降低氧电极周围溶解氧浓度，引起传感器电流的相同变化间接反应亚硫酸盐浓度，具有很高的准确度以及很好的重现性。
2、对NOx的监测
采用氧电极与固定化硝化细菌、多孔气体渗透膜组合制成的生物传感器应用于NOx的监测。利用亚硝酸盐做唯一的硝化细菌能源，亚硝酸盐增加就会增加传感器的呼吸活性。呼吸过程中采用氧电极进行溶解氧浓度降低量的检测，以此间接将亚硝酸盐含量反应出来，体现大气所含的NOx含量。0.01mmol/L是最低检测限[2]，如果亚硝酸盐浓度<0.59mmol/L时，亚硝酸盐浓度和传感器电流成正比关系，具有较强的抗干扰能力，选择性较好。
二、在水环境监测中的应用
1、对BOD的监测
水体有机污染程度的衡量可以依据生物化学需氧量（BOD）的监测。传统采用5d生化需氧量标准稀释测定法进行BOD的检测，不但操作繁琐、需很长时间，而且准确度相对较差[3]。Karube等人于1977年从废水处理厂污泥中提取出微生物，经培养制成胶原膜，结合氧电极组成了一种微生物传感器，主要用于BOD的测定。后经过完善和发展，研究出其工作原理：生物敏感元件采用微生物混合菌种或单一菌种，一旦BOD物质发生加入、降解代谢现象，就会转化微生物内外源呼吸方式，耦联输出电流发生强弱变化，传感器输出电流值处于某种条件下和BOD浓度呈线性关系。它不但满足了实际监测对于精度的要求，而且灵敏、快速，因此应用在水质在线分析方面前景广阔。目前不但有应用于天然淡水、城市污水的BOD监测传感器，还有能适应海洋高盐度水体特点的传感器。
2、对苯酚类化合物的监测
环境污染严重的污染物之一就是含苯化合物，因为很多芳香类化合物都会引起癌症。近些年电化学传感器先后产生了以漆酶、酪氨酸酶、过氧化物酶和苯酚羟化酶做生物敏感材料的传感器，最常应用的是酪氨酸酶为生物敏感材料的传感器，原理为：基于分子氧存在基础下，依靠酪氨酸酶将单酚类物质进行氧化，使其生成二酚，从而将其氧化成为苯醌类物。由于苯醌能利用电化学途径将电子吸收转换成邻苯二酚，所以对苯醌类物质生成情况及氧的消耗程度进行监测，就可以实现苯酚类物质监测目的。这种监测方法具有较高的灵敏度和较强的选择性。还有一些生物传感器利用微生物菌体作识别材料进行苯酚类物质的监测，因细菌经常含有降解质粒，所以假单胞菌属极受研究者关注[3]。
3、对硝酸盐的监测
利用生物传感器对水环境里面的NO3-进行测量，需要测定还原成NO2-时的还原电流大小，以此来反映NO3-含量。该传感器在NO2-浓度为400？mol/L以内时，有较好的监测效果。对传感器用电泳的原理进行改造，将电极放入被监测液和培养基池中，使得NO3-与敏感元件更加接近，得到更好的监测效果。
三、对农药等物质的监测
除草剂、杀真菌剂、杀昆虫剂、脱叶剂、植物生长调节剂等均属于农药类物质，农药是一种广泛存在于大气、土壤以及水、植物和食品中环境污染物。其中除草剂不但含有有机化合物，也含有无机物；杀真菌剂含有有机化合物、含硫化合物及含铜化合物；杀昆虫剂含有马拉硫磷、对氧磷等有机磷化合物。这些都会造成人体的危害，导致造血功能受损、呼吸道损伤、神经系统疾病、免疫系统损伤或严重的致癌现象。目前常用的杀虫剂监测方法为气相色谱法，但某些杀虫剂具有高极性、低挥发性以及对热不稳定性，很难采用气相色谱法进行监测。但有机磷农药会在低浓度下进行一些特定酶活性的抑制，抑制程度受到有机磷农药浓度的影响，所以设计了酶传感器进行有机磷农药浓度的间接测定。其中酶传感器的作用机理主要是乙酰胆碱在胆碱酯酶的作用分解产生胆碱和乙酸，然后胆碱别胆碱氧化酶氧化形成甜菜碱并释放出H2O2，农药与胆碱酯酶发生作用时，将会形成极易水解的非共价的中间复合物，同时由于乙酰胆碱酯酶高度敏感于有机磷农药，所以测定反应相pH变化就能得到酶活受抑情况，间接可将有机磷农药浓度推算出来，从而能够监测出药物的危害性。
四、总结
生物传感器的开发主要是依据生物技术、生物电子学和微电子学几方面的研制成果不断的发展和渗透。在环境监测中应用生物传感器，不仅能够实现环境监测的及时准确性，而且生物传感器技术还能够实现在线监测的优点。对于未来的传感器而言，必将与计算机结合，实施采集数据、处理数据自动化进行，提供出更科学和准确的结果，进而形成完全的自动化检测系统，为环境的保护作出最大的贡献。
参考文献
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[2] 殷大根，杜勇，刘晓霞.生物传感器基于碳纳米管对环境监测的研究进展[J]. 材料开发与应用，2011（04）：50-52.
监测传感 篇7
关键词：光纤光栅传感器,虚拟仪器,数据库
随着技术的发展, 光纤光栅传感器广泛地应用在各个领域, 如电力电网、桥梁隧道、石油化工、航空航天, 实现了高精度、远距离、分布式和长期性监测的技术要求。本文针对光纤光栅传感系统, 提出了一种基于虚拟仪器技术的监测软件的设计与实现方法。为实际工程的管理提供了更加可靠的技术保障, 具有广阔的应用前景。
1 光纤光栅传感技术
光纤光栅是利用紫外光改变光纤材料性质, 在光纤上制作成的一种光学无源器件, 光纤光栅传感技术是利用测量环境对光纤的影响, 将所探测的物理量转化成光束波长的一种新一代光学传感技术。
光纤光栅的传感过程可以依据耦合模理论分析。当光入射到光纤光栅后, 对于满足布拉格条件的入射光会发生反射, 该反射光谱在布拉格波长位置处出现峰值, 其波长公式为λB=2neffΛ。当外界因素发生变化时, 会引起光纤光栅发生微小形变, 使Λ或neff发生变化, 致使光纤光栅的中心波长值发生改变, 产生传感效应, 然后由该波长值即可以计算出待测物理场的变化。
2 虚拟仪器
虚拟仪器采用特定软件在计算机屏幕上构成仪器面板, 同时配置相应硬件, 使计算机可以完成多种仪器功能。虚拟仪器的实质就是充分利用计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。
Lab VIEW是由美国NI公司开发和推出的, 是虚拟仪器软件开发工具之一, 可以应用在实验室、研究所和工业界。该软件采用的编程方式基于图形化, 提供了大量的工具和库函数, 满足了数据的采集、分析、显示以及存储;软件中采用向导式工具, 通过提示进行一步步操作, 完成与仪器的连接和参数的设置。
3 监测软件组成
3.1 数据采集
实验采用的解调仪器是通过TCP网络接口与Lab VIEW软件进行数据交换的。因为TCP网络接口是采用字符串格式发送数据的, 所以接收时要对接收数据进行处理。在数值处理程序中要将接收到的字符串转换成字节数组;然后将传输来的8位数据, 两两合并转换为16位数据, 最后将16位数据进行关系换算, 即可得到所需的光纤光栅中心波长数据。
3.2 海量存储
当监测的数据量很庞大时, 传统的文本存储容量已经不够用, 例如人们常用的Excel表格, 用它存储数据时, 每个表格只能存储65535行数据, 当一个Excel表格数据存储满后, 剩余的数据量只能重新建立表格继续存储, 应用起来很不方便。本监测软件采用采用SQL数据库解决了这个问题, 完成了海量数据的存储。
由于Lab VIEW软件不能直接访问数据库, 所以要先建立相应的连接。具体过程如下, 首先在NI公司网站上下载免费的Lab SQL压缩包, 解压到Lab VIEW目录里user.lib内, 然后启动软件, 会在用户库中发现Lab SQL模块。图1为数据库访问与存储模块。
3.3 超限预警
温度超限报警模块可以监测多点温度。当监测温度在温度设定范围内, 监测软件正常运行, 当监测温度超出设定范围后, 监测软件会发出声光报警, 提醒工作人员有异常情况发生。图2为温度报警模块。
4 监测软件测试结果与分析
本监测软件测量数据如图3所示。本监测软件对工厂设备的温度进行了多点实时监测, 测量结果可靠, 对工厂设备的正常运行提供了重要的保证依据。
基于虚拟仪器的光纤光栅传感监测软件测量精确, 数据可靠, 使用方便, 可以应用在安全监测、安防等方面, 有着很好的应用前景。
参考文献
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监测传感 篇8
关键词：无线传感网络,温度监测,无线通信,高压电气设备
0 引言
随着计算机与通信技术的广泛应用,现代电力系统逐渐向着高压、大机组、大容量的方向发展,电气设备的安全运行问题成为影响电力系统稳定运行的因素之一。电气设备的安全隐患主要是由于电气节点长期工作或绝缘老化,使得节点温度升高从而引发火灾[1]。电力系统中节点的热量与电流的平方和时间成正比,设备运行过程中温度的升高是个缓慢的过程。因此,对电气设备的温度进行实时监测,并结合温度变化量的特点和具体监测对象的特征进行综合分析和诊断,可以将事故隐患消除在萌芽状态。
传统的有线监测方式布线复杂,大量缆线暴露在工作环境中,并且需要大量人力敷设,已经不能满足目前社会的需求。本文提出一种在温度监测系统中利用无线传感网络构造温度监测节点的解决方案,为实时监测高压电气设备的温度和预防设备过热提供了有益的帮助。
1 高压电气设备温度监测系统
高压电气设备温度监测系统采用分层、分布、分散的思想进行设计[2]。该系统由测温节点和测温基站两部分组成,采用星型网络结构,其中一个基站最多可带32个节点。基站和节点之间采用无线通信,节点之间相互无通信功能,多个基站通过以太网连接到上位机。系统网络模型如图1所示。
测温节点用于对电气设备的温度进行实时监测,定时扫描电气设备的温度并定时向基站发送温度数据,当温度超过某一设定值时立即向基站发送预警信息。测温基站主要负责接收和处理测温节点传送的数据,并在接收到预警信息时及时向上位机发出警报。另外,通过基站还可以随时查看节点的温度数据。
2 测温节点设计
2.1 总体结构及工作原理
测温节点主要由传感器模块、微处理器模块、无线收发控制模块及电源模块4个部分构成,如图2所示。
测温节点采用MSP430F2012作为主控制器。温度传感器DS18B20定时采集温度,经由MSP430F2012的P1.0口传送给MSP430F2012进行数据处理,得到实际温度值。MSP430F2012判断该温度值是否超过设定阈值,如果超过则立即通过收发控制模块的nRF24L01发送预警信号给基站;如果没有超过设定阈值,则将温度保存在MSP430F2012内部存储器内,再定时控制nRF24L01将温度值发给基站,即当温度过高时可实现及时预警的功能,当温度在安全范围内时,定时将温度传送给基站。为了使系统的实时性更好,基站可主动查询温度,当基站给节点下发查询命令时,节点立即上传设备的实时温度。
2.2 硬件设计
2.2.1 器件选型
测温节点一般安置在高压电气设备上,节点电池的更换比较麻烦,因此,要求电池至少要连续工作2 a以上,所以节点的省电模式设计极为重要,设计中主要考虑低能耗的要求。
(1) 传感器模块
采用DS18B20作为温度传感器。DS18B20是美国DALLAS公司生产的可组网数字温度传感器芯片,它能够直接读取被测物体的温度,并转换为数字信号输出。该芯片具备独特的单线接口方式,仅需1条口线即可实现与微处理器的双向通信。现场温度直接以一线总线的数字方式传输,减少了信号的损耗,大大地提高了节点的抗干扰能力,适用于恶劣环境的现场温度测量。DS18B20测温范围为-55~+125 ℃,在-10~+85 ℃时测温精度为±0.5 ℃。每个DS18B20在出厂时都已具有惟一的64位序列号,因此,一条总线上可以同时挂接多个DS18B20[3]。在功耗方面,由于DS18B20采用CMOS技术,耗电量很小,从总线上“窃取”一点电保存到DS18B20内的电容中就可供给器件工作,且其在待机时功耗近似为零。
(2) 微处理器模块
TI公司生产的MSP430F2012是一种超低功耗的16位单片机。它采用RISC内核结构,特别适合于电池供电的场合,能够在电压为1.8~3.6 V、频率为1 MHz的条件下运行,且具有5种省电模式。另外,MSP430F2012还集成了nRF24L01所需要的SPI串行通信模块,并且支持独特的SBW接口(即两线JTAG接口),使得后期的软件调试工作更加方便[4]。
(3) 无线收发控制模块
无线收发控制模块中的通信控制器选用nRF24L01。它是一款工作于2.4~2.5 GHz ISM频段的单片无线收发器芯片,内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制解调器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术;其输出功率、通信频道和协议可通过SPI接口直接设置。该芯片能耗非常低,以-5 dB·m的功率发射时,其工作电流只有10.5 mA,接收时工作电流只有18 mA。nRF24L01工作模式有发射模式、接收模式、空闲模式和掉电模式,如表1[5]所示。工作模式由PWR_UP、PRIM_RX和CE决定,并可通过配置寄存器切换。多种工作模式使得nRF24L01节能设计更方便。
(4) 电源模块
电源模块为传感器、处理器及无线收发控制模块提供运行所需要的能量,并对其进行管理,以达到最大的使用效率[6]。由于节点电池更换比较麻烦,因此这里采用高性能干电池作为电源。
2.2.2 硬件连接
nRF24L01和MSP430F2012的连接如图3所示。
SCN、SCK、MISO和MOSI四个引脚构成标准的4线SPI接口。MSP430F2012通过SPI接口与nRF24L01进行数据交换。MSP430F2012工作在主机模式,它是数据传送的控制方;nRF24L01工作在从机模式,它是数据传送的受控方。初始化时,MSP430F2012通过SPI接口配置nRF24L01的工作参数;在发射和接收模式下,MSP430F2012通过SPI接口传输要发送或者接收的数据。
CE为片选信号,IRQ为中断请求信号。在数据收发过程中,当nRF24L01的中断源被置高时,IRQ引脚就会被置低,通知MSP430F2012收发的状态。中断源TX_DS为发送成功标志位,RX_DR为接收成功标志位,MAX_RT为自动重发超上限标志位。
2.3 软件设计
传感器模块的软件主要负责完成现场温度的采集任务,并通过无线收发控制模块传送采集到的数据包。软件设计的原则是降低能耗,使节点大部分时间都工作在低功耗状态。节点主程序包括系统初始化、温度读取和收发控制3个部分,流程如图4所示。
2.3.1 系统初始化
主程序首先完成MSP430F2012、DS18B20及nRF24L01的初始化,然后进入低功耗的中断等待状态。
2.3.2 温度读取
由于DS18B20是单线式连接的,微处理器对它的任何操作都必须由初始化开始,且需要进行严格的时序控制。一次完整的操作有3个过程:初始化操作、读操作、写操作。对DS18B20即为初始化操作、ROM操作、RAM操作。以下为DS18B20初始化过程:
(1) 由MSP430F2012将数据线置高电平“1”;
(2) 延时(该时间要求不是很严格,但是应尽可能短一点);
(3) MSP430F2012将数据线拉到低电平“0”;
(4) 延时750 μs(该延时范围是480~960 μs);
(5) MSP430F2012将数据线拉到高电平“1”;
(6) 延时等待,MSP430F2012释放数据线,进入等待模式。
如果初始化成功,则在15~60 ms之内由DS18B20返回一个低电平“0”;当MSP430F2012检测到该低电平信号时,认为初始化成功,可进行后续操作。此处需注意不能无限地等待,否则会使程序进入死循环,所以要进行超时控制。在本设计里设置等待时间为480 ms,如果超时则认为初始化不成功。
通过DS18B20读取温度的程序流程如图5所示。
2.3.3 收发控制
nRF24L01数据传输有ShockBurst和Enhanced ShockBurst两种模式[7,8]。两种收发模式的区别是Enhanced ShockBurst模式比ShockBurst模式多一个数据传送确认信号,保证了数据传输的可靠性。在Enhanced ShockBurst模式下,nRF24L01启动时间短,空中传输速度快,极大地降低了电流消耗[9]。发射数据时,MSP430F2012首先配置nRF24L01相关寄存器,使其工作在发射模式。发射模式的初始化配置过程:
(1) 写Tx节点的地址 TX_ADDR;
(2) 写Rx节点的地址RX_ADDR_P0(主要是为了使能 AUTO ACK);
(3) 使能AUTO ACK EN_AA;
(4) 使能PIPE 0 EN_RXADDR;
(5) 配置自动重发次数 SETUP_RETR;
(6) 选择通信频率 RF_CH;
(7) 配置发射参数RF_SETUP(低噪放大器增益、发射功率、无线速率);
(8) 选择通道 0的有效数据宽度 Rx_Pw_P0;
(9) 配置nRF24L01的基本参数以及切换工作模式 CONFIG。
MSP430F2012将数据按照时序由SPI 口写入nRF24L01 缓存区, 然后将CE 置为高电平,并延时一段时间后发射数据。nRF24L01 在发射数据后立即进入接收模式,等待返回的应答信号。如果收到应答,则认为此次通信成功,将TX_DS 置高,同时将TX_PLD 从发送堆栈中清除;若未收到应答,说明发送失败,记录下发送失败的次数,并自动重新发射该数据[10]。重新发送等待时间为300 μs,本设计中设置初始重新发送次数为3次,速度为2 Mbit/s,输出功率为0 dB·m。
3 结语
设计了基于无线传感网络的高压电气设备温度监测节点。该节点采用高度集成的无线收发器件nRF24L01,大大简化了节点的硬件和软件设计,减小了节点体积。该节点实现了对电气设备温度的实时监测,当设备温度超过设定值时,能主动向基站发出警报,提高了电气设备运行的稳定性和监测系统的可靠性,为预防火灾等意外事件的发生提供了有益的帮助。
参考文献
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设备监测和诊断系统的传感器选择 篇9
测量相对振动广泛采用的是电涡流传感器, 而测量绝对振动的可以是精密的激光测量系统、压电加速度传感器、动圈式的速度传感器、以半导体技术为基础的DC MEMS加速度传感器等等。围绕各种传感器感应元件的发展, 人们也在开发传感器的无线传输技术, 如篮牙、RF等等。但考虑到经济性、可靠性和实际应用环境, 电涡流位移传感器和压电加速度传感器仍然是各种故障诊断系统的主要选择。下面将就加速度传感器的选择进行探讨。
每个传感器生产厂均能给出从几十到数百种不同类型的故障诊断用传感器。如何选择合适的传感器对保障一套设备故障监测和诊断系统的成功是非常关键的。既要考虑到传感器技术本身的特性, 也要考虑实际应用的物理环境。
一、传感器技术方面的考虑因素
1. 敏感元件
压电加速度计是最常用的振动传感器, 其常用的敏感元件分为石英压电晶体和陶瓷压电晶体两种。尽管石英器件的时间稳定性更好一些, 但目前的陶瓷烧结技术已能保证陶瓷感应元件的稳定性并满足故障监测的使用要求, 而且分辨率高和本底噪声低, 已被多数厂家做为主力敏感元件使用。
2.信号类型
压电感应元件将加速度通过惯性质量转换成对应比例的电荷量, 电荷输出型传感器直接输出电荷量, 再通过外接电荷放大器转换成电压信号输出到数据采集装置。它可以适应在高温环境中使用。电压输出型传感器有特殊设计的内置微电子电路, 使得传感器可以在高温环境以及温度循环情况下可靠地工作, 内部集成放大电路和输出稳定性、生产成本低等特点也使其被广泛采用。事实上, 除极端高温特殊使用场合 (>160℃) 外, 电压型加速度传感器早已成为国际趋势。
3.传感器结构
传感器结构一般分为压缩式和剪切式两种:压缩式虽然制造简单、成本低, 但受安装应力和温度影响较大;而三角剪切式以其稳定性被广泛采用, 成为主流。
综上所述, 选择陶瓷、三角剪切、电压输出型传感器为多数应用的选择, 除极端高温环境可能需要选择陶瓷、三角剪切、电荷输出型传感器。
二、实际应用的物理环境
1. 需要测量的参数
通常故障诊断需要选择普通的加速度传感器, 这样可以获得原始振动数据, 而与DCS等控制系统配套的需要选择振动变送器类, 也称为4～20mA输出型。如只需要按设定的报警限得到开关量, 就需要选择数字式振动开关。
2. 测量的幅值范围
通常传感器的输出电压范围是±5V, 如选择的是100mV/g灵敏度的传感器, 测量范围是50g, 而低频型的由于低频信号g值很低, 需要选择500mV/g灵敏度的传感器, 测量范围是10g。故要按照需要在灵敏度和测量范围间作出平衡选择。
3. 测量的频率范围
通常厂家给出的频率范围是按一定测量精度确定的, 有5%、10%和3dB。以某型号传感器为例, ±5%时频率范围是2.4～3 000Hz, ±10%时是1.7～5 000Hz, ±3dB时是0.8～8 000Hz, 所以不能简单地说频率范围是多少, 一定要看是按多少精度来确定的。
4. 传感器安装处的温度
除极特殊情况, 只需要考虑温度上限, 普通的4～20mA变送器上限温度是85℃, 特殊高温设计的可到125℃;普通电压型加速度传感器的上限温度是121℃, 特殊高温设计的可到160℃;再高的温度环境就需要选择电荷型的, 可以到260℃, 甚至到480℃。但是适用于高温的传感器的价格也较高, 所以要视具体使用情况做出选择。
5. 是否为水下或其他液体下安装
集成电缆式传感器可以应用在1 000PSI (水下690m) 压力环境下和有液体喷溅的环境下。但在选用时应详细咨询传感器厂家。
6. 测试环境是否有有害或腐蚀性化学物质
通常故障诊断用传感器是采用SS304#不锈钢制造的, 基本能满足多数有腐蚀环境的使用要求。建议在此情况下, 选用聚四氟乙烯 (PTFE) 电缆, 并增加防腐护套。如果是容易发生线缆硬损伤的环境, 要选用铠装电缆。
7. 传感器的安装空间
传感器的安装空间通常是受设备的具体情况限制的。不受限制的情况下可选用成本相对较低的顶出型的产品, 受限制的情况下就要选用侧出型的 (但相对成本要高一些) , 特殊情况下可选用带有旋转底座的产品。
8. 是否选用精密型传感器
精密型传感器是提供全频率范围标定的 (一般自10Hz始) , 如100mV/g, ±5%;而低成本的仅提供单频率点, 如100Hz, 校准数据100mV/g, ±10%。故障诊断最关键的是监测变化, 低成本型能满足多数的应用, 选择时不需要片面追求高成本的精密级传感器。
9. 是否需要防爆等级
需要注意防爆等级符号, 如“EX”、“FM”、“CS”。
1 0. 低频要多低
对于ICP传感器来说, 测量系统的低频响应取决于传感器的放电时间常数 (DTC) 和适调仪/数据采集仪的耦合时间常数 (CTC) 。对于一个阶跃的测量信号, DTC定义是传感器或者系统放电到原始值37%时所需要的时间, DTC和系统的低频响应有直接的联系。
低频响应可以通过DTC计算得到:
压电材料受限于它固有的高通滤波器特性, 所以通常的压电传感器低频能够做到0.2Hz左右。
总之, 传感器的选择是没有一个绝对方案的, 需要从多方面来考虑, 最后求得一个平衡。除了以上的各种因素, 还要考虑是否有长电缆传输问题、电磁干扰问题等。另外传感器的定期标定也是需要考虑的。建议高温及温度波动大的应用环境传感器每年做一次标定, 一般应用场合两年左右做一次标定。除一些必须要求有计量认证的情况需要到国家计量单位标定外, 可以采用便携式标定仪器在设备现场做标定。
三、选型案例
案例1:造纸机湿部轴承监测, 温度<100℃, 高湿环境, 安装空间受限。
选用IMI 607A11集成电缆, 0.5Hz～10kHz, 100mV/g, 量程±50g, 旋转底座安装, 安装高度25mm, 侧出, IP68密封等级, 可防水溅和水雾环境。
案例2:火电厂现有DCS系统, 考虑利用现有未用IO点增加对引, 排风机和驱动电机的振动监控 (采用振动烈度信号) , 信号直接进入DCS, 而不再投入整套故障诊断系统。但要求在设备出现异常时能将振动信号提供给便携式数据采集器, 用于数据分析。
监测传感 篇10
海洋资源的监测与开发一方面需要大力依赖于传感器节点来感知多维度的海洋资源信息, 如水流温度、水流强度、压力等;另一方面需要依赖于特定的组网技术将大量传感器所采集到的信息汇总并上传至服务器, 以待进一步的存储、分析。传感器网络技术正是能够承担这一双重任务的首选。与传统的陆地无线传感器网络不同, 面向海洋资源的监测更多涉及的是水下传感器节点的协作与传输;而由于水对电磁波的吸收和衰减非常严重, 声波即成为水下无距离信息传输的唯一载体。因此, 水下传感器网络组网必须依赖基于超声波的水声通信技术。在这一现实背景下, 如何开展水下传感器网络组网技术的研究, 对促进海洋经济发展、开发利用海洋资源具有非常重要的意义。
本文将重点探讨面向海洋资源监测的传感器网络在组网方面所存在的一些重点挑战与现实问题, 并提出一个混合式的组网框架来应对海洋资源监测对信息传输的一些客观需求。
关键问题
信道资源匮乏
水声通信依赖于超声波进行信息传输。声波信号频率越高, 水载体对其信号的衰减越严重, 其所能传播的距离也就越短;而低频率的水声信号虽然能够支持较长的传输距离, 却仅能支持非常低的数据传输速率。实测表明:当传输距离达到几十公里时, 水声信道的可用带宽仅有几KHz;当传输距离降至5~10公里时, 可用带宽也仅为5KHz, 对应的调频调制模式下传输速率最高仅能够支持2.4Kbps;当传输距离降至1Km时, 数据率将升至10Kbps。因此, 水下通信环境下要避免长距离的信息传输, 而考虑其它补充手段, 比如通过水面节点的高速无线传输来中继信息。
当前, 研究人员也在尝试借鉴无线电通信中常用的自适应均衡技术、半盲均衡技术、MIMO技术、OFDM技术、信道估计技术等复杂通信信号处理技术来提升水声通信链路的传输速率, 以实现中远距离的高速率通信。
信道环境恶劣
海洋环境非常复杂, 尤其是在不超过200m浅海环境下, 水声信道是一个时间-空间-频率变化的信道, 具有环境噪声高, 传播损失大, 干扰强度大, 多普勒频移严重等缺点。此外, 水下声波传播速率比电磁波的速率低5个数量级 (约1500 m/s) , 因此多径时延扩展很长, 达毫秒级甚至达到秒的量级, 这样的时延造成数十甚至数百个码元间的干扰, 对水声传感器网络在数据链路层、路由层和传输层设计均有重要的影响。此外, 影响水声信道质量的不确定因素过多, 也容易造成水声通信误码率偏高。特别是在恶劣天气条件下, 通信过程中突发错误比较多, 通信中断概率较大。
多址接入效率低
多址接入协议主要分为竞争型及非竞争型两类。非竞争型协议包括频分多址接入 (FDMA) 、时分多址接入 (TDMA) 、码分多址接入 (CDMA) 。由于水下传感器间的距离及信道环境都处于动态变化中, 导致其相互之间的时延也随之动态变化。因此, 基于时分的多址接入协议 (TDMA) 并不适用于传感器节点移动性较高的动态场景;CDMA利用正交的伪随机码实现信道频率、时间、空间的共享, 允许多个网络节点同时共享同一频段的信道, 提高了信道带宽的利用率, 是一种有效的水声网络多址接入方法;水声信道的窄带宽、频率敏感的信号衰落和对于突发流量的低效性使得FDMA也不适用于水声网络。目前, 基于簇拓扑结构的TDMA、CDMA混合调度MAC协议是一种已得到应用的非竞争型多址接入方案。
监测传感 篇11
关键词：羊舍环境监测；预警；传感器网络；3G网络
中图分类号： S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）02-0352-04
收稿日期：2013-07-03
基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（13）5060]。
作者简介：梁万杰（1980—），男，河南商丘人，博士，助理研究员，主要从事农业物联网关键技术及其应用。Tel：（025）84391702；E-mail：liangwanjie@sohu.com。
通信作者：戴起伟，硕士，研究员，主要从事农业信息分析与咨询。Tel：（025）84391909；E-mail：dqw00001@126.com。畜牧业是中国农业增效、农民增收的重要产业，近年来取得了长足的进展[1]，畜禽健康养殖也越来越受到人们的重视。畜禽健康养殖是指动物养殖过程的安全、健康以及饲料营养的无公害，达到保护人类安全和维护社会稳定的目的[2]。环境、品种、饲料和疾病构成畜禽健康养殖的四大技术限制因素，其中环境监测是畜禽健康养殖的关键限制因子。品种及饲料的优势都是以适宜的环境为基础而得到充分发挥的，同时舒适的养殖环境也是控制畜禽疾病发生的有效方法。随着畜禽养殖产业的不断发展，对畜禽养殖环境监控系统的要求也越来越高，不但要求监测控制系统能够实现对温度、湿度、光照和氨气浓度等众多畜舍环境因子实时数据的获取，对这些数据进行存储、分析、处理，还要能实现对诸环境因子的控制，操纵相应的控制设备，达到畜禽养殖的现代化、智能化、精准化。
随着计算机技术、传感器技术和网络通信技术的发展，由大量随机分布的，具有实时感知、无线通信和自组织能力的传感器网络得到快速的发展[3-4]，同时也为畜禽健康养殖环境监测和预警提供较好的技术手段[5]。传感器网络采用无线通信技术，可实现分布式部署，能最大程度地减少器件连线，降低系统搭建、维护的费用和难度，同时提高系统的可扩展性[6]。针对畜禽健康养殖对智能化环境监测和预警的需要，本研究以羊舍环境监测和预警为研究对象，设计一套能实现羊舍环境实时监测、数据处理与分析、自动报警等功能的羊舍环境监测及预警系统。实际应用结果表明，该系统运行稳定，能实现环境数据的实时采集与传输，并在环境参数超出设定范围时，采用短信、声光等手段实现报警，从而提高养殖的自动化、智能化和精准化水平。
1羊舍环境监测及预警系统的结构
羊舍环境监测及预警系统的网络结构如图1所示。该系统主要有环境参数传感器、数模转换模块（RTU）、数据传输模块（DTU）、服务器、网络设备、客户终端和高清拼接屏等设备组成。传感器通过有线的方式连接到RTU，经RTU把传感器采集到的模拟数据（每个羊舍内的温度、湿度、光照强度和氨气浓度）转换成数字数据，通过串口通信传输到DTU，DTU通过3G网络把数据传输到监控中心的数据库服务器；系统平台通过WEB服务对外提供服务；用户通过客户端设备（计算机、手机或平板计算机等）访问系统服务， 实现对羊舍环境的管理和报警信息接收。展示平台由高清的工业级显示屏拼接而成，具有可长期运行、稳定性好的特点。展示平台是一个对外展示的窗口，可用于展示每个羊舍的环境参数、视频数据、展示相关成果，也可用于操作控制平台。
2羊舍环境监测及预警系统硬件设计
2.1传感器节点
温湿度传感器受局部环境的影响较大，具有一定的随机性。例如，阳光的直射可能会使温度迅速升高，而当阳光转走时，温度又会迅速降低，不能客观地反映羊舍的温度情况；湿度也会因为局部水汽造成数值快速升高。因此，本研究设计了一个光、温、湿三合一传感器（图2）。设计思路是：设计1个圆形的百叶窗，把温湿度传感器放在百叶窗设备中，在设备的顶部放置光传感设备。百叶窗具有很好的通风功能，其内部和外部具有同样的温湿度。这种设计既不影响采集光照度参数，又能很好地避免因为太阳直射或局部湿度上升造成的温湿度参数失真。从设备的安全性和安装性能上来说，百叶窗可以很好地保护内部的光温湿传感器，同时又易于安装。
2.2传感器网络
该系统的传感器网络采用部分有线加3G网络的方式。传感器节点通过串行接口与模数转换设备连接，模数转换设备可以根据需要连接到无线传输设备上，组成局域网络，最终把数据集中到数据传输模块中，或直接与数据传输模块相连；采集的环境数据最终由数据传输模块经过3G网络传送到远程的上位机，经上位机把数据保存到数据库或对上层应用提供服务。这种环境数据采集和传输网络具有以下优点：（1）在传感器网络到数据远程传输模块之间采用有线的方式，可以有效地防止由于动物的走动对传输信号的干扰，提高信号传输的稳定性；（2）采用3G网络实现远程数据传输，即考虑了环境参数数据量有限，可把通信费用控制在可接受的范围内，同时也提高了系统部署的灵活性以及系统的可扩展性。
3羊舍环境监测及预警系统软件的设计
软件系统对羊舍环境智能监测和报警十分重要，是整个系统的灵魂。软件系统的设计要充分考虑硬件系统的特点和拓扑结构，不仅要满足系统的功能要求，还要满足用户对系统操作的方便性和友好性。本研究提出的软件系统主要分为两部分：数据采集中间件和基于WEB的服务系统。数据采集中间件的主要任务是接收数据传输模块发送过来的数据，并对数据进行分析处理、保存，同时对WEB服务系统提供实时环境数据。服务系统的主要功能是对远程用户提供环境参数查询、统计分析、展示、环境参数阈值设置、报警及其他管理功能。
nlc202309040834
3.1数据采集中间件设计
中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源。中间件在分布式软件模块之间建立一个互操作的机制，屏蔽底层分布式环境的复杂性和异构性，为上层的应用软件提供统一的接口，使用户可以灵活、高效地开发和集成复杂的应用系统[7]。本研究设计的数据采集中间件的主要功能是接收从数据传输模块发送过来的环境数据，对数据进行分析、处理和整合，一方面存储到数据库中，另一方面对上层应用提供实时环境数据。具体实现方式是：在中间件初始化阶段启动2个套接字服务，一个用接收远程环境数据传输请求，一个用于处理实时数据请求；当有环境数据传输请求到达时，建立一个套接字连接，并创建一个线程来处理数据传输过程；数据传输处理线程主要完成对传输过来的信息进行分析和处理，把数据保存到数据库，同时更新中间件维护的实时环境数据信息表；当有实时环境数据请求到达时，建立一个套接字连接，同时创建一个线程来处理实时数据请求；实时数据请求处理线程的主要任务是根据请求的传感器节点编号，查询实时环境数据信息表，并把当前的环境数据打包发送给请求客户端。中间件的内部事件处理逻辑如图3所示。
3.2管理系统设计
本研究提出的管理系统是基于B/S架构设计的，该架构的特点是瘦客户端，即客户端不需要特殊的配置，只需安装浏览器，且不受地域和时间的访问限制。软件功能架构采用MVC架构，做到表示层和业务逻辑层分离，使美工摆脱复杂的业务逻辑关系，而只注重界面设计的美工和易操作性；同时业务逻辑编程人员只需注重业务逻辑关系的实现，从而开发出功能完善、执行效率高、运行稳定的软件系统。从功能上来看，主要包括数据管理、设备管理、养殖信息管理、参数阈值管理、报警信息管理等功能模块。数据管理主要提供环境数据查询、温湿光曲线图、氨气曲线图等功能；设备管理主要功能是设备位置、参数的管理；养殖信息管理主要功能包括饲养记录、防疫记录、出栏情况等信息管理和统计分析；参数阈值管理的功能是对不同类型、不同位置的传感器，针对羊的不同生长阶段设置环境参数的上下限阈值，并对此类信息进行维护和管理；报警信息管理的功能是，当某一环境参数超出设定的阈值时产生1条报警信息，并通过短信、声光的方式通知羊舍管理人员，管理人员根据实际情况对报警信息进行处理。
4羊舍环境监测及预警系统实现与应用
系统软件的实现包括数据采集中间件和管理系统两部分。中间件部分采用Java语言实现，Java语言提供有套接字网络连接接口、进程管理类以及数据库连接和操作软件包，采用这些软件包可以很快捷地实现中间件设计的所有功能。管理系统实现方面采用Tomcat服务器作为WEB服务器，数据库采用Mysql数据库，采用J2EE系统解决方案来实现羊舍环境监测与预警系统。Tomcat和Mysql均为开源的WEB系统解决方案，其功能完善，技术成熟，用户界面友好。J2EE架构是应用较广泛的WEB系统解决方案，采用EJB组件实现业务逻辑层开发，可以提高代码的重复利用率，从而提高系统的开发效率，同时采用Struts架构实现表示层与业务逻辑层的分离，使表示层只需注意界面美工和操作功能的实现；表示层主要用JSP、Javascript等技术实现。其系统界面如图4所示。
本研究在江苏省农业科学院六合动物科学基地的养羊场安装、配置了此监测及预警系统。经过一段时间的运行和调试，系统运行稳定，并按一定的周期采集到了羊舍的环境参数数据。在环境参数超出设定的阈值时，能及时通过短信、声光等方式通知羊场管理人员，使管理人员能及时地对现场情况进行处理。对羊场工作人员的应用体验调查结果表明，此系统用户界面友好，应用方便快捷，有效提高了羊场管理的效率和自动化水平。图5是羊舍温湿光曲线截图。
5结论
本研究根据羊场环境监测及预警的需求提出了一套系统软硬件设计和实现方案，在传感器网络方面采用部分有线加3G网络的设计方案，此方案设计较成熟、运行较稳定，且又能保证系统安装的方便性和系统的可扩展性。在传感器方面设计了光、温、湿三合一集成方案，并加入了百叶窗的设计，有效地避免了太阳光直射等造成的失真情况。在软件方面分别提出了数据采集中间件以及管理系统设计和实现方案，中间件的设计可以有效分离硬件和软件系统，提高软件系统的兼容性、可移植性和可扩展性。经过实际应用及用户操作体验调查，结果表明，系统用户界面友好，应用方便快捷，系统运行稳定，能准确地采集环境参数数据且能可靠地传输数据，在环境参数超出设定的阈值时能及时报警，有效提高羊场的管理效率和自动化水平。但系统只是完成了环境的监测和预警，下一步需要进一步完善环境监测指标，加入环境调节和自动控制功能。
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监测传感 篇12
目前我国很多从事井下安全监测系统研发的企业基本上都采用的是射频识别 (RFID) 技术, 由矿工人员携带RFID电子标签, 通过设置在矿井入口以及井下重要关口的射频读卡器对经过的矿工人员进行记录来获得他们的行踪。这种监测系统实际上更类似于一种考勤系统, 不具备真正意义的监测功能。现有的基于RFID技术的监测系统有两种终端:无源被动型及有源主动型。前者不需供电电源, 靠接收并储蓄基站发射的能量向读卡器发射自己的ID信息。该类型的终端成本虽然很低, 但通信速度较慢、距离较近。后者须自备供电电池, 能主动的向外发射信号, 通信速率和距离较前者都有提高。这两种类型监测系统通信时各自基站之间以有线方式为主, 该有线通信方式在远距离传输数据时速率较低。由于大量用到连接电缆, 安装复杂施工不便, 加上建设覆盖全矿井的基站这些都增加了系统造价。
2 无线传感器网络技术
2.1 无线传感器网络的定义
无线传感器网络 (WSN) 是由大量布置在目标区域内的传感器节点组成, 这些节点体积小、低成本, 节点之间自组织形成一个能够进行无线通信的网络系统, 其目的在于协作的感知、采集和处理被监测区域中感兴趣的对象的信息, 并发送到监测中心。无线传感器网络的节点一般结构如下:
2.2 井下无线传感器网络的应用特点
2.2.1 规模大
为确保获取准确的信息, 待测区域内常常部署数目较大的传感器节点。表现在两方面:一是传感器节点的分布的区域可能很大, 另一方面, 在一个较小的待测区域中, 无线传感器网络节点的部署往往会很密集。
2.2.2 动态自组织性
井下的一些区域, 传感器节点的放置并没有基础结构, 加上环境因素、电能的消耗问题, 以及传感器新节点的加入, 都会造成网络的拓扑结构出现变化。因此, 为避免或减少这种因素, 要求网络的通信协议和软件系统具备高度的动态自组织能力, 可以独自实现管理、配置。
2.2.3 可靠性
一般来说, 无线传感器网络定位技术不仅要适用于极为恶劣和复杂的井下区域, 能应对突兀而来的破坏, 还要符合矿井下设备本质安全防爆要求, 节点要具有极高的可靠性, 不容易受到损害和引发井下事故。
2.2.4 以数据为中心
无线传感网络作为以数据为中心的网络。通过标号的方法来使用传感器节点。编号时遵循网络的通信协议, 由于节点的动态性, 传感网络和节点编号也是动态的。使用时, 节点编号与位置间没有本质的联系。要根据具体应用场景对传感器节点编号, 以提高采集数据的效率。
2.3 无线传感器网络的节点定位
在WSN系统的应用中, 节点位置的信息是必不可少的, 不能获得其位置信息的数据将失去意义。所以传感器网络的节点定位是其应用的关键技术。节点定位按是否测距分为两类:基于测距定位方法 (Range-Based) 、基于非测距的定位方法 (Range-Free) 。测距技术主要有:基于无线信号的到达时间 (TOA) 测距, 基于无线电信号强度 (RSSI) 测距, 基于超声波与电磁波到达时间差 (TDOA) 测距, 基于无线信号到达角度 (AOA) 测距。该类方法先测量出相邻节点间的实际距离或者方位, 再运用三角计算、多边计算、极大似然估计等方法确定位置。基于测距的定位精度高, 由于AOA、TOA和TDOA三种测距对传感器节点的技术要求较高, 目前还难以在矿井下实现这3种定位方式的广泛应用。而基于RSSI测距的定位方法对技术的要求不高, 容易实现, 是目前主要的井下测距定位手段。基于蜂窝小区识别 (Cell-ID) 的定位方法是最简单的非测距定位之一, 它通过无线节点间的网络连通性来感知待测节点的粗略方位。
本文根据井下复杂环境和现有技术条件提出一种具有较高精度的基于矿井通信系统的混合定位方法。
2.3.1 基于蜂窝小区标识的粗定位
借助井下通信系统估计目标的位置, 该方法根据大多数矿井巷道的条形结构, 将井下通信区域分成许多独立的链状排列的蜂窝制小区, 相邻小区间无缝相接, 每个小区有一个控制基站, 每个控制基站设有不同的小区编号, 当移动终端发射身份识别信息时, 可能处在多个相邻小区的通信范围内, 系统通过小区基站就可判定其大致位置。矿井下使用基于蜂窝小区标识的定位方法精度取决于基站的密度, 虽然硬件结构和算法简单, 但仅使用该方法仍只能粗略定位。
2.3.2 基于RSSI测距的细定位
采用RSSI定位方法进一步进行细定位。RSSI定位方法是通过已知发射功率的目标节点向多个参考节点发出无线电信号, 参考节点接收到信号并测出接收功率, 得到传播损耗, 然后用相关数学模型将信号传播损耗转化成距离, 通过多组测距实现定位, 由于这时参加定位的参考节点少, 简化了求解过程。因传感器节点本身就具有无线通信能力, 故这种方法容易实现。该混合定位的方法优势是结合了巷道链状结构特点, 粗定位弱化了对参考节点位置精度的依赖, 细定位的区域大大缩小了, 定位精度有一定提高。
3 Zig Bee无线组网技术
3.1 Zig Bee技术
根据煤矿应用的特点, 井下无线监测系统越来越多的采用Zig Bee技术。该技术是基于IEEE802.15.4标准的局域网无线通信协议。具有低功耗、低复杂度、低成本、短时延、近距离、高安全性、免执照频段等特点, 同时支持地理定位功能。Zig Bee还可由最多达65000个可以相互通信的无线数据传输模块组成一个无线数传网络, 每个数传模块相当于网络的一个基站;网络范围内相邻节点传输距离一般介于10~100m之间, 在增强发射功率和通过路由和中间节点后, 传输距离将达到更远。此外整个Zig Bee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。
3.2 Zig Bee比RFID技术具有的优势
3.2.1无源RFID电子标签通信信号为近距离的应答方式, 有限的读卡速度无法处理多人快速通过读卡系统的问题。Zig Bee芯片比有源RFID电子标签的功耗和可达到的最远通信距离都有优势。
3.2.2 使用Zig Bee技术, 收发模块相同, 价格低廉。而RFID电子标签价格便宜, 但读卡器价格较高。
3.2.3 Zig Bee采用带冲突避免的载波侦听多路访问机制 (CSMA/CA) , 保证了一个节点在同一时刻只占用一个信道, 有效解决RFID技术由于信号碰撞问题导致的人员漏检。
3.2.4 使用RFID技术的基站之间须通过有线连接, 不能无线组网, 而Zig Bee系统的节点安装配置灵活, 整体无线自组网。
3.2.5 RFID通信系统一般只能传播自身ID等数据量有限的简单信号, 而Zig Bee较高的数据传输速率, 能增加和升级系统的一些其它功能.
3.3 Zig Bee网络拓扑结构
Zig Bee组网支持三种拓扑结构:星状结构、树状结构和网状结构, 如图2所示。
图中网络协调器为井下数据的最终收集节点, 具有路由能力的节点作为全功能设备, 精简设备仅具有网络接入和数据传输功能。基本的星状网是一个单跳系统, 适用于传感器节点覆盖范围较小的场面, 网络中所有节点与中心节点双向通信, 通信距离较近, 网络整体功耗最低;树状和网状结构是多跳系统, 树状结构适用在中心节点和无线传感器采集节点相距较远的场面, 其间通过具有路由功能的设备接力;网状结构中所有无线节点都可直接互相通信, 网状网的每个节点都有多条路径到达网关或其它节点, 网络中的节点可以选择最优路径及时将数据传送至中心节点, 因此它的容错性较高, 可靠性好。网状结构比星状网的通信距离远很多, 由于节点必须一直“监听”网络中路径的信息和变化, 所以功耗也更高。
实际的井下Zig Bee无线传感网络应用时根据巷道走向等具体环境一般采用多种拓扑结构混合组网, 混合网应在吸收网状网传输距离长和容错性好的优点的基础上尽可能具有星状网的简单和低功耗。实现井下监控系统管理的便利性、有效性和低成本。
4 井下监测系统的组成和工作过程
4.1 系统总体设计
系统采用在有线光纤主干网络的基础上结合基于Zig Bee技术的无线传感器网络的设计思想。设计原则是使监测系统可随着开采的进度, 将井下相关信息实时、准确传送到地面调度中心。实施方法首先在井下巷道中预先分布无线基站, 然后在主巷道和井上等长距离数据传输路径上铺设光纤网络, 并以监测分站的模式在该区域的相关点安置基于光纤通信的网络协调器, 充分利用光纤通信容量大、无须中继、远距离传送、抗干扰能力强的优点。而在不方便铺设光纤的采空区、采掘工作面等地覆盖Zig Bee无线传感器网络, 并通过监测分站中的网关与有线光纤网络互联。以太网完成远距离的井下到井上的信息传输。
4.2 系统设备组成
系统设备分为井上的和井下的两部分。位于地面的生产监测调度中心安放井上设备, 本文主要针对井下设备的系统设计。井下现场设备主要有三种:分别是协调器 (网关) 、路由器 (固定节点) 、终端 (移动节点) 。该系统基本功能包括实时井下环境数据采集与存储, 井下人员电子考勤、动态定位、地图管理、历史路径查询、数据联网、报表生成, 报警提示井下人员进入危险和限制区域, 以及矿难时提供井下人员搜救帮助等。
4.2.1 协调器
协调器负责创建一个Zig Bee网络:通过以太网连接远程监控主机, 并初始化监控主机的IP地址及端口号, 主动连接监控主机, 为Zig Bee网络和以太网之间通信搭建起一座桥梁, 并在使用中对网络进行管理和维护。当它要与传感器节点进行通信时, 首先完成Zig Bee协议与以太网协议之间的转换, 再将节点的数据传到监控主机, 同时主机也可以通过网关访问相关传感器节点或者向相关节点发送命令。
4.2.2 路由器
路由器一般是固定的无线监测基站, 主要布置在井口、长距离矿道的一定间距上、以及转弯或交叉口的位置, 与井下人员设备携带的移动终端和相关点位的环境数据采集终端通信, 用于提供路由服务, 充当定位锚点, 延伸Zig Bee网络的范围, 确保传感器网络无线链路的畅通和稳定。因此大多有路由器功能的节点为全功能器件和网络协调器。无线传感网络中参考节点和定位节点都是此类节点。
4.2.3 终端
终端作为数据的采集节点, 主要用于井下作业人员和机械设备所处位置的监测, 其任务还包括网络的连接和现场作业区域多种环境数据的采集。大多安装于瓦斯等危险气体较容易涌出的地方和井下矿工的矿灯、挖掘机、矿车等机械设备上。井下Zig Bee无线传感器网络就由这些移动终端和矿道中布置的节点自组织形成, 将实时数据传输给附近的监测分站。该类节点不具有路由功能, 只能与就近节点进行通信。此外终端还提供求救和报警功能。
4.3 系统工作过程
系统在矿井中安装完成之后, 将无线基站的位置坐标测出, 开始上电工作时, 坐标数据已被存储在处理器中, 网络协调器创建一个Zig Bee网络, 井下无线基站一个个加入到该网络中。系统启动井下人员、设备定位功能:无线终端定时或者收到基站的信号时, 向基站发射包含自身ID和发射功率的定位信息, 基站接收信号, 通过其中的ID信息, 即可初步确定该无线终端的矿工、机械设备或被检测点位于该基站的通信范围内。基站然后再加上自身ID和RSSI信息, 通过无线网络发给监测分站, 再由连接监测分站的光纤网络转发给处理器, 数据处理器根据RSSI信息和己知的基站坐标执行定位算法, 即可进一步得出终端较精确的位置。而安装在井下相关位置的固定监测节点通过其上不同类型的传感器采集井下环境的相关数据如有毒气体, 瓦斯浓度, 粉尘浓度等, 将数据融合后选择最优路径周期性的发送到监测分站, 并通过以太网传回地面监控中心, 而监控中心已经测量存储了这些固定监测节点的位置坐标。
系统正常运行, 矿工人员、机械设备所处的位置以及监测点的环境参数, 实时更新。
结束语
本文针对矿井安全监测系统的需要, 采用光纤和无线传感网络相结合, 其中基于Zig Bee技术的无线传感器网络具有组网快速简单、成本低、易维护等特点。使系统能够非常方便地随时对矿井内的各类环境参数进行实时检测、快速处理;采用混合定位进行井下相关人员设备及监测点的精确定位。是解决煤矿安全生产问题的重要手段。改善了传统的监测系统。通过该系统的设计得到一种通用的井下无线传感器网络进行监测的模型。可以在此基础上进行深入的研究, 进一步促进其在井下监测系统中的应用和发展。
摘要：传统的井下监测系统主要采用信号的有线传输方式, 限制了系统的可移动性, 设备安装不够灵活, 定位精度低, 难以满足现在井下安全监测实时准确的要求。随着无线传感器网络技术的发展, 并在众多领域取得广泛的应用, 这一技术也很快应用于地下矿井中。本文提出一种在有线网络的基础上结合基于ZigBee无线传感器网络技术的井下监测系统, 对发展状况、相关技术进行了叙述, 再对该系统的设计及其在复杂矿井环境中的运用进行了具体分析。
关键词：无线传感器网络,ZigBee技术,井下监测
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