无线瓦斯传感器设计（精选7篇）
无线瓦斯传感器设计 篇1
摘要：煤炭生产过程中经常会发生瓦斯事故, 严重的威胁到了职工们的生命财产安全, 也阻碍了煤炭行业的发展。所以, 应积极研发出针对瓦斯的无线检测传感器, 防止瓦斯事故的发生。本文首先概述了无线传感器网络的原理及其结构, 其次, 对煤矿井下无线瓦斯传感器的应用进行了分析研究。
关键词：煤矿,井下,无线瓦斯传感器
现阶段, 有不少煤矿流量监测监控系统实际使用的是有线与固定传感器相结合的一种网络, 该网络要求必须在矿井内部敷设通信线路以进行检测信息的传递。然而, 实际生产时, 由于矿井结构的变化多端以及部分坑道空间的窄小, 对通信线路的延伸及其维护有了越来越高的要求。如果通信链路出现故障问题, 那么, 将直接导致整个流量监测监控系统无法正常运行, 大大削弱了系统的性能可靠性。
1 无线传感器网络的原理及其结构
1.1 原理
无线传感器主要是通过诸多的能和物理环境彼此间交互, 同时, 涵盖数据处理功能及无线通信功能的一种全新的传感器构成的互连系统, 对于一些繁琐的监控任务, 此系统能够及时有效完成。本文所述的传感器并非只是单纯的来收集物理信号, 然后, 转化成数字信号的传感器, 其主要把传感器模块、数据处理模块以及无线通信模块全部汇集到一块较小的物理单元上, 相较于传统的传感器, 其功能繁多, 除了可以感知环境信息外, 还发挥着数据处理与无线通信的功能作用。我们把此类传感器节点全面的分散在某一特定环境里, 采用无线通信的方式来有效连接, 从总体上形成了一个具有特殊性质的网络。所有节点都有自己控制的一个区域, 充分利用声学光学设备、电磁感应装置等各种感知设备实施监督控制其附近的物理环境。
1.2 结构
无线传感器网络没有固定的结构, 针对应用场合实施相应的结构。不过整体而言, 无线传感器网络有硬件层与软件层两种。其中, 硬件层的作用是合理控制传感器, 比如, 控制数据的接收、转换以及无线通信电路。软件层的作用是在硬件层的基础上发挥通信协议、能耗管理、通信频道管理等功能作用。对于部分较为繁琐的无线传感器网络, 可将硬件层与软件层分成若干个层, 比如, 把软件层分为路由层、链路层等。此外, 无线传感器网络具有诸多的拓扑结构, 实际使用较多的有星形结构和网状结构。其中, 基于星形结构的无线传感器网络主要通过专用中心服务节点对整个网络的数据传输及其运作进行处理;基于网状结构的无线传感器网络能够使网络各传感器节点间进行点对点的传输。所以, 相比之下基于网状结构的无传感器网络略胜一筹, 不过其结构十分的繁琐、需要花费大量的成本。
2 煤矿井下无线瓦斯传感器的应用
2.1 硬件设计
首先是微处理器模块;实际中主要将A Tmegal28L单片机当做节点的微处理器。A Tmegal28L以精简指令集结构为首选, 具备了哈佛总线的存储器结构、单周期指令以及两级流水线指令结构等各项技术, 使得系统运行效率得到大大提升。与此同时, 还根据单片机具体应用特征, 设置了功耗、驱动能力和外围模块等, 是一种实用性较高的单片机。A Tmegal28L有以电池供电的无线传感器网络应用所需的核心功能, 涵盖了纳瓦功耗管理、先进的模拟、控制和通信外设等内容, 将A Tmegal28L与射频收发器CC2430有机的融合起来, 能够获得集成性好、价低质优的节点。
其次是无线收发模块;其属于一种射频集成电路模块, 作为无线网络的物理层射频前端来实际收发无线数据。以CC2430射频芯片为主。该射频芯片依旧采用之前的CC2420架构, 在单个芯片上对Zig Bee射频 (RF) 前端、内存和微控制器进行了整合。CC2430生产过程中, 采用的是0.18μm CMOS工艺, 在接收和发射模式下所呈现出的电流损耗都没有超过27m A或25m A。由于CC2430具有休眠模式、转换到主动模式的较短时间的特征, 所以, 在电池使用寿命要求长的场合中应用十分理想。
2.2 系统软件设计
首先是汇聚节点程序;属于一个增强功能的传感器节点, 能量供给十分充足, 有丰富的内存与计算资源。汇聚节点共发挥着网络维护功能与数据传输功能两种, 其中, 网络维护功能担任组建Zig Bee网络、分配网络地址及维护绑定表的任务。数据传输功能作为Zig Bee网络与互联网的网关, 把两个应用不同协议的网络有机的连接, 从而使两个协议栈间能够做到通信协议的转换。整个流量传感器节点会采用无线的方式把实际获得的传感器数据全部送至汇聚节点中, 然后再由汇聚节点对收到的数据进行转换, 最后通过串口输送至嵌入式计算机内部。
其次是流量传感器节点程序;该节点的任务是进行传感器数据的收集, 同时, 把所收集的数据送至网关节点中, 并且及时接收来自网关节点中的数据, 结合这些数据实践操作。在没有数据可接收或者发送时, 应保持在休眠状态下, 确保节点功耗的最低化。
主程序在初始化有关的寄存器与变量及管脚后, 步入到主循环阶段。主循环的任务是基于外部传感器信号转换后所产生的电压信号做合理的采样与处理, 以转换为实际所需的值, 同时, 将此值传送至相对应的缓冲区中, 最后, 准确判断其有无超限的可能, 如果超了, 那么, 应及时的将相应的报警程序全面启动, 若不启动, 那么, 就必须停止本次循环。
3 结论
综上所述可知, 本文主要以A Tmegal28L单片机的无限瓦斯传感器为核心, 通过该单片机的功能如功能高、功耗低、体积小等进行数据的传输, 对煤矿井下瓦斯情况进行了全程跟踪监测, 是一项值得推广的系统。
参考文献
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无线瓦斯传感器设计 篇2
系统核心处理模块基于CC2530开发设计，选用星型拓扑结构组建无线传感器网络，具有容量大、低成本和低功耗等特点，且相邻两个节点传输距离可达10～150m，完全满足温室内无线调光系统设计需求。其中，主控节点实现网络构建、环境信息采集、数据处理分析、人机交互及调光命令下发等功能;驱动节点主要实现控制命令接收、数据解析及调光数据输出等功能;植物LED执行器实现LED灯组调控及亮度输出。主控节点采用全功能设备FFD(FullFunctionDe-vice)，具备网络协调功能，可联结其他FFD或精简功能设备(RFD)，组建无线传感器网络，可双向传输信息，具有协调作用;同时，根据系统设计要求，主控节点具有控制功能。电路设计增加环境光照与温度信息采集模块、人机交互模块(即液晶显示及按键)、工作指示灯、时钟模块以及复位模块，分别完成数据采集、人机交互和复位等控制功能。驱动节点采用简化功能设备RFD(ReducedFunc-tionDevice)与主控节点进行信息传输，同时完成控制命令输出;植物LED执行器基于植物光合作用分析，选用中心波长为660nm、半波带宽度为40nm的红光LED，以及中心波长为450nm、半波带宽度为40nm的蓝光LED两种特定波段LED作为光源，可根据驱动节点输出不同的调光命令，实现不同配光比的光环境调节。
2系统硬件设计
2．1主控节点结构及硬件设计
主控节点主要负责构建及启动网络、网络参数选择、当前环境信息监测、控制方式选择、计算调光值、调光命令下发、人机交互等功能，包括电源模块、核心处理模块、无线模块。
2．1．1核心处理模块
系统选用CC2530作为中央处理器，内含高性能低功耗8051微控制器，工作电压3．3V，外设21个I/O口。其中，P1．0接入系统正常工作信号LED指示灯;P0．1接入手动按钮;人机交互模块电路为液晶分别与P0．0，P1．2，P1．5和P1．6连接，按键与P0．6和P2．0口连接;P0．2，P0．4，P0．5与时钟芯片DS1302相连;P1．4口与温度传感器连接，P1．1和P1．3口与光照传感器相连。具体电路根据CC2530芯片手册设计开发，降低了开发难度。
2．1．2人机交互模块
系统选用DB12864－16C作为液晶显示，采用普通复位按键作为设备按键，在满足系统工作要求的条件下，为节省I/O口使用，液晶与CC2530连接采用串行SPI方式进行通信，按键电路利用SN74HC32或门和LM358运放共同实现。具体电路根据SPI方式及运放典型电路开发设计。
2．1．3其他模块
电源模块采用5V适配器为主控节点供电。电源输入后，经过降压芯片ASM－1117典型电路为系统提供3．3V直流电压。数据采集模块包括环境温度采集和光照采集两种。其中，温度采集选用DS18B20作为温度传感器和ISL29010作为光照传感器，通过在光照传感器上覆盖红蓝光滤光片以及软件修正，实现对光合作用有效波段监测。时钟模块根据DS1302芯片手册中典型电路设计，可实现系统时间设制以及定时控制功能。同时，为满足系统后期扩展需求，将剩余I/O口作为备用扩展口使用，以提高系统实际应用及二次开发能力。
2．2驱动节点及植物LED执行器设计
驱动节点属于精简功能设备，只完成调光控制命令接收与信号输出功能，可减少外围电路设计，降低了智能调光系统的成本。驱动节点包括核心处理模块、无线接收模块、电源模块和继电器模块。具体电路为:P1．0连接红光LED驱动电路，P1．1连接蓝光LED驱动电路，P1．5连接红光信号继电器，P1．6连接蓝光信号继电器。LED执行器包括驱动模块及红蓝光LED灯组，由24V电源供电。驱动模块选择PT4115驱动芯片，是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，可用于驱动一颗或多颗LED串联。LED灯组根据植物生长所需光环境由若干红蓝光LED按比例组成。
3系统软件设计
本系统以IAR为软件开发平台，可以直接对Zig-Bee2007协议栈进行开发移植，生成高效可靠的可执行代码，并对代码进行调试。代码采用C语言开发，不仅有利于软件代码的可读性，而且能够满足对硬件功能的调试和控制，大大缩短了系统开发周期。系统软件主要包括节点间数据传输和节点功能软件两个部分。节点数据传输过程:首先，通过主控节点进行信道扫描，选择合适的信道组建网络。在IEEEE802．15．4协议中，将2．4G频段划分16个信道，编号为11－26。本系统选择默认值11信道。构建成功后，驱动节点以直接方式加入网络，即驱动节点作为主控节点的子节点，由主控节点向驱动节点发送，作为其子设备命令。主控节点在网络中起协调器作用，负责网络构建。为确保系统安全可靠工作，系统采用分布式分配机制为每个节点分配自己的地址，主控节点在组网以后使用0x0000作为自己的短地址，在驱动执行节点加入系统网络后，由主控设备随机分配一个不重复的16位短地址作为自己唯一的地址来进行通讯。主控节点控制软件包括两类传感器解析函数、计算决策程序、参数设定程序、液晶显示程序和时钟程序等子程序;驱动节点作为终端节点，在完成调光控制命令接收后，将控制信号输出给继电器和驱动电路;LED执行器根据调光控制命令实时调节红蓝光LED灯组状态，实现温室光环境的多种方式以及无线控制。
4运行结果
本设备已通过实验测试，并应用于西北农林科技大学某实验基地。试验证明，系统可根据用户实际需要实现手动控制、定时控制、阈值控制以及定量控制等多种控制方式调光，且所有控制命令均可采用无线传输方式进行准确传输。其中，在阈值控制方式下，主控节点可完成温室实时温度、红蓝光光强等环境因子检测，并基于光合作用机理精确决策温室作物实际需光量;驱动节点可稳定接收实际调光数据，并准确输出给驱动电路和继电器，LED执行器可根据控制命令准确调节LED灯组输出状态。
5结论
（1）本文设计了一种基于无线传感器网络的设施农业调光系统，可通过用户实际需求选择多种控制方式对温室作物光环境进行无线调控。其中，阈值控制方式综合考虑作物光合作用影响因素，根据温室温度、红蓝光光强等环境因子精确计算作物实际需光量，实现了温室光环境的实时按需调节。
（2）系统结合温室实际生产条件，采用无线传感器网络技术传输调光命令，有效降低了系统部署难度与维护成本;采用新一代LED光源，减少了生产成本，节约了能源。
无线瓦斯传感器设计 篇3
关键词：ZigBee；无线传感器；设计；实现
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2100-02
当前，无线传感器网络（WSN）在工业、军事以及学术研究等各个领域都受到了越来越多的关注，其研究成果具有很好的应用价值。将各种类型的具备计算功能和通讯能力的微型传感设备合理地布置在需要进行数据信息监测的区域内，并使这些传感设备能够依据环境的变化情况自动地执行指定的命令，这种能够进行自动控制的网络系统被称为无线传感器网络。由于ZipBee技术具有成本低、功耗小以及短距离等特点，使其在无线传感器网络技术中脱颖而出，成为了无线网络通讯应用技术中的佼佼者，得到了较好的推广运用。
1 ZigBee技术的概述
ZipBee是双向的无线通讯技术的一种，它具有短距离、小功耗、低复杂度以及高稳定性的特点。目前，该技术主要是被用在系统的远程控制以及自动化控制等科技前沿领域，较为常用的工作频段有三种，在不同的工作频段上其传输速率存在一定的差异，通常它的有效传送距离是10m到75m，根据需要还可以对传送距离进行增大。
ZipBee这种成熟的无线电通讯技术所具有的特点包括安全稳定性高、网络的信息容量大、成本低、时延短以及功耗低。在ZipBee技术中对其数据包采用循环冗余校验技术来检测其完整性，同时还能够支持认证，通过运用AES—128加密算法等来保证系统的安全性。为加强稳定性系统运用碰撞避免策略，并通过建立专用的通讯通道保证特殊数据传输的稳定性，防止数据在传输过程中产生冲突，影响重要数据的传输。在MAC层进行数据传输模式的定义时运用的是完全确认技术，即发送出去的所有数据包信息都需要由数据接收方进行信息的确认。一旦在数据传输中发生故障，都会进行数据重新发送，保证数据的稳定传输。ZipBee网络具有较大的容量，将ZipBee网络设计成星型结构时，可实现最多25台的从属设备与1台主控设备的连接，可以将100个ZipBee网络接入一个区域，实现较为灵活的网络组建形式。较为低廉的成本也是ZipBee网络的显著特点，其模块的成本大约在20元，而ZipBee的网络协议也是不需要缴纳专利费用的，这也大大降低了其成本，从一定意义上讲，较低的成本费用是ZipBee网络技术能够广泛应用的重要原因。ZipBee网络的通讯时延较短，从休眠转换为激活状态也只需15ms的时间。工作中的设备接入信道的时延也仅为15ms，ZipBee网络通讯技术能够很好地满足那些对时延控制要求较高的无线控制应用。在设备功耗方面，因为ZipBee的传输速率相对较低，其数据发生功率只有1mw，同时在设计时还添加了设备的休眠模式，进一步降低了功耗，保证了ZipBee设备的节能省电，在使用过程中，只需要给设备装配两节5号电池就能保证6-24个月的稳定供电，避免经常更换电池带来的麻烦。
2 ZipBee的硬件及网络
ZipBee中包含两种类型的硬件设备，一种是精简功能型设备（RFD），另一种是全功能型设备（FFD）。与全功能型设备相比较精简功能型设备只具有一部分的功能，在全功能型设备之间以及全功能型设备与精简功能型设备之间可以相互通讯，但精简功能型设备之间则无法进行通讯。在ZipBee的技术标准中根据设备的不同功能和作用分别确定了三种不同类型的逻辑设备，它们分别是ZipBee协调器、ZipBee路由器以及ZipBee终端设备。在一般情况下，ZipBee协调器和路由器是由全功能型设备配置而成，而ZipBee终端设备大多数情况下是由精简功能型设备配置得到。在系统中建立与维护网络的任务由ZipBee协调器完成，一个网络中有且只有一个协调器，在ZipBee系统中充当中继节点角色的是路由器，它可以完成路径的优选及数据的转发工作，而处于系统末端的ZipBee终端设备其功能则相对单一，通常进行一些较为简单的数据发送与接收工作。
在实际运用中，根据工作的需要可以对ZipBee网络进行灵活的布置，例如可以构建成星型的网络结构亦可以构建成点对点式的网络结构。在星型布置的网络结构中，系统的全部设备都和PAN网路协调器中心设备进行通讯。采用这种类型的网络结构时，要对协调器采取持续的电力供应，系统的其他设备可以以电池来进行供电。相比于星型的网络结构，点对点式的网络结构只要保证设备相互间能够正常地接收无线信号即可，系统内的任意两个设备间都能够实现通讯，在点对点式的网络结构中同样要由协调器来对网络系统的信息进行综合处理，对系统设备进行认证等。
3 ZipBee无线传感器网络系统设计
在进行ZipBee无线传感器网络系统设计时需从硬件和软件两个方面来进行考虑。硬件设备为软件系统建立运用平台，而通过软件系统来指挥硬件执行相应的命令，二者协同工作发挥作用。
无线模块硬件系统主要是微处理器芯片与射频芯片等构建起来的，微处理器的类型较多，可以根据具体的应用来选择，如RISC处理器、ARM处理器等。对于一些较为小型的应用，采用LPC2106微处理器具有较大的优势，因为其功耗和尺寸都较小。以UART和SPI与SSP、I2C建立系统的通讯接口让其能够和SRAM共同发挥作用，从而让LPC2106微处理器更好地实现通讯网关与协议转换器和它本身所具有的强大的信息处理能力。射频芯片运用较多的是CC2420、CC2430等，Chipcon公司开发的芯片是采用的完全集成压控震荡技术，它的优点在于只要有无线发射天线、16MHz晶体这些最基本的电路系统就可以保证其在相应频段上稳定地工作。在CC2420射频芯片上预留了SPI接口来和微处理器进行连接，这个接口既用于系统设置，同时还用来传输信息数据。
在完成了硬件系统的建设后，需要在ZipBee无线传感器网络设备上配置适应的软件系统。它的软件系统包括嵌入式的操作系统、ZipBee协议栈以及其他的一些相关应用程序等。嵌人式操作系统内核能够对任务进行高效的调动、队列管理以及中断处理等操作，它还附带了硬件设备的全部驱动程序。相关的应用程序包括射频通信程序、串口通信程序以及信号质量监测程序等，在进行设计时通常采用模块化设计，这样做的好处是使程序系统的层次分明，具有良好的扩展性，同时对ZipBee技术进行二次开发也是有利的。程序设计时大致可以划分为三个部分包括协议栈、调度以及公共模块部分。协议栈模块的设计与ZipBee协议栈的结构分层相匹配，调度模块的主要作用是对不同的任务调用相应的协议栈模块，程序中设置的存储模块及计时模块能够给所有的协议栈模块释放公共的操作空间。另外也建立了共享的缓冲区域，它主要起到方便存储协议栈模块与调度模块进行数据信息交换的作用。
4 调试与测试工作
在完成了系统的建设后，要进行调试和测试工作以便检验设计的合理性，确保系统能够达到预期的效果，才能真正保证系统建设目标的实现。需要进行调试和测试的内容主要包括系统组网测试、网络通信速率测试、网络通信延迟测试以及通信距离的测试等。通过这些测试和调试来对系统的网络延迟、覆盖范围以及安全性等进行检测和修订，保证系统在投入使用后能够稳定地工作。
5 结束语
本文对ZipBee无线传感器网络系统的设计与实现进行了分析研究，旨在寻找技术优良同时经济合理的无线传感器网络系统，ZipBee技术具有安全稳定性高、网络的信息容量大、成本低、时延短以及功耗低等特点非常适合应用开发，随着技术的不断进步，在科技创新的浪潮中ZipBee技术必将取得更多的成就，更好地服务于无线传感器网络系统的建设。
参考文献：
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无线瓦斯传感器设计 篇4
1 系统总体方案
无线瓦斯传感器节点由瓦斯传感器探头采集瓦斯数据, 然后通过数模转换传递给控制器单元, 由其对探头传递的数据进行处理分析, 经无线收发模块进行发送和接收, 同时节点还具有显示和报警功能。瓦斯传感器探头通过标准气体进行严格的测试校准, 得出工作曲线, 通过曲线得出计算公式, 其误差控制在技术要求范围内。
无线瓦斯传感器系统的设计出发点是在当前的工艺条件下, 应用微型计算机处理技术, 通过提高传感器的工作稳定性和精度等级, 拓展其功能, 使传感器及时、准确地检测环境中瓦斯含量。因此, 传感器系统总体设计方案要围绕优化系统设计的原则来确定, 尽可能地减少硬件电路的复杂程度, 充分发挥计算机处理功能的强大优势, 增强系统工作的可靠性。根据上述系统设计思路要求, 确定传感器系统总体设计方案 (见图1) 。
由载体催化元件构成的检测电路, 输出电压信号后, 经过放大电路和数/模转换电路, 变成相应的数字量, 通过并行输入端传递到微控制器, 根据EEPROM中存储的数据来对信号进行分析, 进而由数码显示模块显示高精度的测量结果, 同时通过频率信号输出的方式传送给监控系统。当检测到环境中瓦斯浓度超出规定值时, 仪器发出声光报警。
2 无线瓦斯传感器硬件设计
1) 控制器模块的设计。STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期 (1 TB) 的单片机, 是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机, 指令代码完全兼容传统8051, 但相比速度快8~12倍。内部集成MAX810专用复位电路, 2路脉冲宽度调制PWM, 8路高速10位A/D转换 (250 k B/s) , 针对电机控制, 强干扰场合。该系统采用内部时钟方式。STC12C5A60通过连接一个12 MHz的晶振作为振荡源, 由于单片机内部带有振荡电路, 所以外部只要连接一个晶振和两个20 p F的电容, 构成了单片机的时钟电路。
2) 无线收发模块的设计。无线收发模块的核心芯片SI4432是Silicon Labs公司推出的一款集成度高、体积小, 适用于ISM频段的射频芯片。此芯片具有通信距离远、抗干扰能力强、绕障能力好等优点。SI4432的发射功率可以设置100 MW, 接收灵敏度可达-116 d Bm, 工作在此功率模式下, 在空旷的场地通信距离可以达到1 000 m。SI4432芯片通过SPI串口 (SDO, SDI, SCLK, n SEL) 与单片机实现通信。
3) 电源模块的设计。主节点及路由节点由主电源供电, 稳压部分由芯片LM2595及其外围电路组成。LM2595是一款降压型开关稳压芯片, 可以通过优良的线性调节及负载调节驱动3 A负载。LM2595的电压输入范围较宽, 最高输入电压可达40 V, 具有固定的3.3 V, 5 V, 12 V等电压输出。芯片内置52 k Hz固定频率晶振, 相比于线性低压差稳压芯片, 其效率较高, 大大减小了散热片的体积, 在功率较低的电路中甚至可以不使用散热片[1]。
3 无线瓦斯传感器软件设计
该系统传感器是在井下环境中检测气体中瓦斯浓度的仪器, 利用热催化原理, 通过热敏元件、可变电位器和腹膜电阻组成惠斯顿电桥[2]。当井下环境中气体扩散式进入检测元件气室后, 载体催化元件表面和瓦斯气体发生催化氧化反应, 这时桥路输出的电信号与瓦斯浓度成正比, 电信号经差分运算放大电路, 再由数/模电路转换为数字信号, 最后通过单片机对信号分析处理, 由数码管显示测量结果, 同时完成无线数据通信及各种控制。当井下环境中瓦斯浓度高于报警点4%时, 仪器将发出声光报警。瓦斯传感器主程序流程见图2。
4 传感器试验测试
PC上位机发送采集命令指令和接受返回数据都通过串口通信来实现, 采用VB6.0软件设置串口通信和程序设计。文中上位机程序设计采用MSComm通信控件, 此控件的方便和灵活应用完全能满足系统通信的需求, 实验数据见表1。
通过以上实验数据可以看出, 传感器网络组网成功, 终端节点可采集数据, 并且通过无线网络将采集到的数据通过路由器传输到PC机。通过实际的手动测试, 传感器探头电压的测试与实际值相差不大, 说明该系统设计的无线传感器数据采集的精度可以达到系统设计的需求。
参考文献
[1]陶国正.单片机与接口应用技术[M].苏州:苏州大学出版社, 2005:95.
无线瓦斯传感器设计 篇5
关键词：三轴加速度传感器；行为监测；无线传感器网络
中图分类号：TP274+.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）07-0434-03
动物行为能一定程度反映动物机体对环境的适应情况，是动物福利评价的重要指标，因此定量测量动物的行为具有重要意义，将以加速度传感器为主的采集节点的设计用于运动行为监测方面具有一定应用价值。
三轴加速度传感器在人体运动行为、能量消耗等方面的应用研究开展比较早[1]，常将传感器节点做成穿戴式[2]，戴在手腕上[3]、腰部或是内嵌到特制的衣服、鞋里面[4]，同时测量x、y、z 3个轴的加速度值，来判断人体的手臂和走步姿态及用于检测老人的跌倒行为[5-6]。但在动物行为监测方面的应用相对较少。2010年，Cornou等开始利用布带把三轴加速度传感器和蓝牙模块固定在母猪颈部，将采集到的运动信息传输给PC机进行行为分类[7]。国内华南农业大学尹令等以牛作为研究对象，基于三轴加速度传感器开发了无线传感器网络进行奶牛行为特征监测，用于判断奶牛发情和疾病状况[8]。南京农业大学刘龙申开展了母猪产前行为监测的研究，通过站卧姿态变化次数和筑窝行为来预测母猪的分娩时间[9]。
本研究利用三轴加速度传感器MMA7361与无线发射模块CC2430设计了1个运动信号的采集节点，实现对动物个体日常活动的数据记录，为进一步数据的传输和行为模式分析提供基础数据保障。
1 系统网络结构
个体行为的无线监测网络由无线传感器网络、GPRS/3G网络和监测中心组成（图1）。传感器节点作为无线传感器网络中的数据源，节点上配有MMA7361，可布置在监测个体身体的任意位置，便于用布带固定在动物颈部或脚踝处，实现对个体运动参数的采集。网关节点汇聚来自传感器节点的数据，并通过GPRS/3G网络发送给监测中心的服务器进行进一步行为分析。
2 模块的选择和确定
2.1 加速度传感器
基于运动行为监测系统的设计需要，加速度传感器要采集各监测对象的实时加速度值。根据加速度传感器灵敏度及功耗的需要，在无线加速度传感器网络节点的设计中需要选择一款体积小、质量轻、低功耗、便于佩戴的高灵敏度加速度
传感器。经过对同类传感器各方面的比较，本研究選用了MMA7361三轴加速度传感器。
MMA7361L[10]是飞思卡尔公司（Freescale）推出的一款超低功耗、小型电容式的微机械加速度传感器，可提供模拟电压输出的x、y和z三轴加速度传感器。该传感器可以采用 15 g 或6 g灵敏度重力选择模式，具有信号调理、一阶低通滤波、温度补偿、自检、带有线性自由落体检测和零重力检测等功能。工作电压为2.2～3.6 V，工作电流为400 μA，设置为睡眠模式时工作电路仅为3 μA。通过MMA7361L可以测量出任意时刻3个方向的加速度分量。
2.2 ZigBee模块
CC2430[11]是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM 波段应用对低成本、低功耗的要求。它结合1个高性能2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和1颗工业级小巧高效的8051控制器。
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128 kB 可编程闪存和 8 kB 的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power On Reset）、掉电检测电路（brown out detection）以及21 个可编程I/O 引脚。
CC2430芯片采用0.18 μm CMOS 工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27、25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
3 加速度传感器节点硬件设计
考虑到加速度传感器节点的通用性，采用模块化设计思想设计硬件，节点的结构框如图2所示。由此可见，整个节点的设计由4部分组成，该平台利用RF射频芯片和CC2430处理芯片，工作在2.4 GHz，支持低功耗无线通信协议IEEE 802.15.4，采用8位低功耗微处理器，通过A/D接口采集MMA7361三轴加速度数据，并即时发送给网关节点。数据采集速率为40 Hz，无线数据收发速率为250 kbps。
如图3所示，三轴加速度传感器的输出信号为0～3.3 V的模拟电压信号，通过外接几个去耦电容以及滤波电容后直接接入无线单片机CC2430的模拟输入端口P0_5、P0_6、P0_7进行3个方向的加速度值的采集；为了调试、测试阶段的方
便，在无线传感器节点系统中设计了相应的电源指示灯D1、电源报警灯D2以及节点建网/入网指示灯D3；此外，在实验室设计阶段整个无线传感器节点的电源由5 V的可充电锂电池组成的电源模块提供。
4 节点软件设计
无线加速度传感器网络节点的软件设计主要是用户根据项目的实际需要在协议栈的应用层开发自己的用户程序。为了满足运动行为监测系统实际运行的需要，根据监测对象的距离，在被测对象身上布置无线加速度传感器节点，在动物畜舍内布置网关节点。无线加速度传感器网络节点的具体软件功能是：网关节点建立1个局域无线加速度传感器网络，网内短地址固定为0x0000，主要负责数据包的路由以及间接消息的转发；加速度传感器节点加入相应的无线加速度传感器网络，终端节点在接收到网关节点发送的采集数据命令后，定期向网关节点发送自己采集的3个方向的加速度值。为了减小系统功耗，网关节点在定时时间未到时处于低功耗状态（睡眠状态），加速度节点在未收到采集加速度传感器数值命令时也处于低功耗状态（睡眠状态）。
nlc202309041633
5 试验和结果分析
2013年12月12日到19日在江苏省金坛市永康农牧科技有限公司进行现场试验，选用12头长白母猪为试验对象，实物如图4所示，将传感器节点利用松紧带固定在母猪颈部下方进行24 h监测，母猪佩戴節点后无异常反应。实时采集到的数据以图5方式显示。
试验结果表明，加速度传感器节点能够不间断采集三轴加速度的数值，在特定时间内，母猪的行为模式和运动量趋于稳定，当活动量加剧或减少及异常行为出现时，可作为妊娠、分娩、疾病等情况的识别特征，该节点也可用其他牛、羊等大家畜的行为、位移、步数等数据量记录。
6 结论
本研究以三轴加速度传感器MMA7361和无线射频模块CC2430为核心，通过移植协议栈设计了1款新型的无线加速度传感器网络节点，可以方便组建低成本、低传输速率、高效率的无线网络，实现对各个对象动作的实时监测。在永康猪场配对测试发现，无线加速度传感器节点以及无线传感器网络性能稳定，具有较低的丢包率以及较低的成本，可以广泛应用于家畜（猪、牛、羊）行为监测和运动能量的前期数据采集。
参考文献：
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无线瓦斯传感器设计 篇6
关键词：瓦斯传感器,无线,瓦斯爆炸,采煤机
1 引言
随着国家对煤炭安全标准的逐步完善以及煤矿工人安全意识的不断提高,煤矿的安全检测成为了煤炭安全生产中重中之重,由于井下环境复杂,布线问题困难,智能、可靠的检测设备可以大大的减少煤矿事故的发生。
据统计,我国煤炭行业发生2起重大事故均为瓦斯爆炸,瓦斯是煤矿开采的伴生物,极大的影响煤矿的安全生产[1]。因而做到边开采、边控制瓦斯溢出量,使用自动化的无线的传感网络代替繁琐复杂的布线,已经成为目前煤炭行业研究的热点。本文提出了一种基于无线瓦斯传感器网络来实现采煤机的自动控制。
在生产过程中自动采集这些数据并有效进行技术集成,然后把相关信息实时反馈指令传递给采煤机的支架,确定合理的采煤机割煤速度及移架速度,可以有效防止工作面瓦斯集聚,保证工作面安全,降低人工操作的失误,提高生产效率和机械化开采水平。
2 系统整体设计
核心采用Mega48V是ATMEL公司生产的8位单片机,通过无线模块收集各个无线传感器网络模块发送来的数据,然后通过数据集成对数据进行处理,可以在显示电路上显示各组传感器的数据以及可观测数据变化曲线,并且达到一定报警值发送控制信号给采煤机速度,保证井下的煤炭的安全开采,系统框图如图1所示。
3 无线瓦斯传感器网络模块系统设计
核心采用Mega48V是ATMEL公司生产的8位单片机,催化燃烧式气敏元件将瓦斯信号转换成微小的电压信号,通过运算放大器将小信号放大,送入到微处理器,因为我们选择的单片机具有内部的A/D转换器,给我们的设计上减少了外部转换的麻烦,对经过转换后的数字信号利用PID、模糊控制算法进行处理,然后转换成浓度信号,显示出来[2]。如果超过报警范围,在无线传感器网络模块的出现声光报警,如果超过极限报警值会对关闭甲烷传感器的采集,有效的保护传感器。并且可以通过无线网络实时的把处理后的数据发送住主控器。系统框图如图2所示。
4 系统硬件电路设计
4.1 传感器选型
MJC4载体催化元件是用来检测空气中低浓度甲烷的敏感元件,可在有煤层及瓦斯爆危险环境中使用。它具有测量精度高、重现性好、调校周期长、寿命长的特点[3]。广泛用于煤矿的甲烷报警仪、甲烷传感器、断电仪、报警矿灯中,能准确测量矿井中瓦斯的浓度,元件的各项指标均满足安全生产行业标准(A Q)各项技术要求。MJC4载体催化元件主要技术指标:
工作电压MJC4/2.9J 2.9V
电流型号DC 90m A
灵敏度:≥15m V/1%
基本误差测量范围(%CH4)0~1>1~2>2~4
允许误差绝对误差(%CH4)±0.06
相对误差(%)±6±7
工作环境:温度0~40℃;相对湿度45~75%;
大气压力80~116k Pa
4.2 报警电路设计
在无线瓦斯传感器模块中设计了报警电路,可对各个模块在分布区域出现瓦斯浓度超标及时报警,也可以将报警信号传给主控电路,使之采取相应措施,来控制采煤机的割煤速度,如果报警一直无中断,用来提前紧急预防分布在模块周围的区域出现瓦斯浓度过高,瓦斯爆炸事件,减少事故发生率,通过Mega48V的I/O管脚与LED1、LED2、LED3、SPK连接来控制声光报警。如图4所示。
4.3 通信模块设计
本设计中系统采用11.0592MHz晶振,波特率采用1200b/s。串口是本系统与外界通信的唯一通道,通过RS-232串口单片机系统可以和PC机进行通信,如图5所示。可以从P C机下载最新的数据,也可以将检测结果上传至PC机[4]。由于每一个甲烷传感器的参数都不完全一样,所以需要将系统放入标定环境中,通过串口由P C机进行标定,这样既提高了效率又保证了精度和标定过程中的安全性。
5 系统软件的设计
在系统上点或者复位后,微处理器会读取EEPROM中提前预设值好的标定值,然后开始调用无线瓦斯传感器采集来的数据,并且将采集来得模拟数据经过数模转换,对数字信号进行处理。并加以滤波、插值等数据处理,提供我们检测数据的精度,然后将检测到的数据与标定值相比较,看浓度是否超过标定值,如果超过标定值,会发出报警信号,声光报警[5]。如果超过极限值,控制器会发出信号停止数据采集,令一方面也会上传数据给主控器,使主控制动作,控制采煤机的割煤速度,系统主流程图如图6所示。
6 结束语
本文针对井下开采设计的无线瓦斯传感器网络的采煤机自动控制系统,本系统采用了分模块化设计,可以在井下布置多个无线瓦斯传感器网络区域,确保安全可靠的生产。并且各个子单位都可以进行声光报警和现实浓度值,并且可以实时的与主控器通信,确保采煤机的速度,使瓦斯爆炸事故降到最低。本设计具有微型化,智能化,并具有高的可靠性。
参考文献
[1]杨帮文.现代新潮传感器应用手册[M].北京:机械工业出版社,2006.
[2]成永红.电力设备测量-传感与测控技术[M].北京:中国电力出版社,2003.
[3]卢胜利.智能仪器设计与实现[M].重庆:重庆大学出版社,2003.
[4]丁振良.误差理论与数据处理[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2002.
无线瓦斯传感器设计 篇7
1 系统组成及原理
新型机载瓦斯移动远程监测监控系统主要由矿用机载无线甲烷断电控制器、矿用无线信号转换器、监控分站、工业以太网及光纤骨干网、防爆开关、远程控制器和配备KJ90系列监控软件的中心监控计算机及系统备份监控服务器等组成, 见图1。该系统在传统机载瓦斯移动远程监测系统上增加了防爆开关及远程控制器等自动执行和控制设备。当瓦斯浓度超限等现象即将或已经发生时, 可根据预警系统的判断对其危险区域或其邻近区域的电力设备进行紧急断电控制。此外, 该系统还可根据实际传输距离的需求, 灵活设置N个ZigBee网络节点 (即矿用无线信号转换器) , 以便将瓦斯浓度等数据通过无线Mesh传感器网络路由传输到现有煤矿安全监控系统的监控分站。机载瓦斯移动远程监测监控系统既能实现开采工作面环境状态数据的采集及其无线或有线方式传输, 又可将接收的数据转化为传统监控分站所需要的模拟或数字信号, 并通过井下监控分站以及工业以太网和光纤骨干网交换机逐级传到地面中心监控计算机和系统备份监控服务器, 不但可实现矿井瓦斯浓度、传感器电池电压和采煤机通断电状态的远程监测, 而且通过系统智能功能扩展还可实现对与危险区域比邻的相关作业设备进行远程断电控制。
该系统最核心的组件之一是机载无线甲烷断电控制器, 主要包括甲烷检测传感器和ZigBee无线网络通信模块以及电源转换模块等, 负责采集瓦斯浓度参数值、传感器电源电压参数值、传感器交流/直流供电状态信号和机载无线甲烷断电控制器通电/断电状态等信号, 并将采集的信息经过信号处理和无线发射传输给基于矿用无线信号转换器的ZigBee无线Mesh传感器网络, 然后通过矿用无线信号转换器的模拟或数字通信接口传到井下监控分站, 最后通过工业以太网和光纤骨干网平台从井下逐级传到地面中心监控计算机。
传统机载甲烷断电控制器只能实现工作面本地的作业设备通断电控制功能, 不能实现附近相关危险区域的作业设备通断电控制。如图2所示, 新型机载瓦斯移动远程监测监控系统的甲烷检测自动断电控制器采用了支持ZigBee的RF模块, 可通过矿用无线信号转换器组建无线Mesh传感器网络实现和监控分站互联互通, 从而有效扩展了瓦斯浓度超限后的紧急通断电控制的设备覆盖范围。
矿用无线信号转换器是机载瓦斯移动远程监测监控系统的最核心的组成部分之一, 包括单片机、电子看门狗、时钟晶振电路、本质安全的电源转换电路和支持ZigBee无线Mesh网络通信RF模块等, 如图3所示。其基本工作原理如下:首先通过无线RF模块接收机载无线甲烷断电控制器发射来的数据, 然后通过单片机定时器控制, 将接收的瓦斯浓度等信息通过程序控制周期改变单片机P1口的状态, 最后通过转换线性度较好的高速光耦器件隔离输出200～1 000 Hz频率或电流模拟信号。其中, 通信接口方面值得注意的是:一方面其单片机接收机载无线甲烷断电控制器发射来的瓦斯数据信息, 并将其实时输出到200～1 000 Hz频率模拟信号和5 mA/1 mA/0 mA三态模拟信号转换电路, 最后通过外接分站通信电缆实现与传统监控分站互联;另一方面, 矿用无线信号转换器也可通过RS485通信转换电路提供连接外部监控分站的数字通信接口, 实现与分站的双向数字通信。
2 系统关键技术
实现新型机载瓦斯移动远程监测监控系统的关键主要是解决机载无线甲烷断电控制器、矿用无线信号转换器和监控分站等设备的互联互通技术问题, 包括ZigBee无线Mesh传感器网络、多RF传输和抗干扰宽带通信、高精度频率偏差补偿算法和高效CRC校验等。
2.1 ZigBee无线Mesh传感器网络
几种典型无线传输技术的性能指标如表1所示, 其中除了UWB外, ZigBee、蓝牙 (Bluetooth) 和WiFi均可支持无线Mesh网络。ZigBee技术的无线传输带宽和传输距离居于中等, 其拓展传输距离的有效方法是采用无线Mesh网络中继传输方式。UWB传输距离短、成本高、寿命短, 且目前缺少独立的组网解决方案。蓝牙技术无线传输距离短, 且寿命也不太理想。目前采用WiFi技术实现无线网络传输, 虽然具有传输速率大的优势, 但功耗和成本也都较高, 如将其应用于瓦斯监测传感网络, 其传感器终端节点电池使用寿命就非常有限。
由于低成本和低功耗的ZigBee技术既可支持2.4 GHz 免执照ISM频段, 又可便于组建无线Mesh网络, 因此, 研究ZigBee矿山无线监测系统已成为业界广泛关注的热点。现有的ZigBee监测系统通常是基于不考虑节能的网络协议实现的, 没有进一步考虑根据矿井实际应用需求进行系统协议的简化和能量优化, 也没有考虑如何发挥Mesh组网的优势, 更没有考虑和传统监控分站等设备的互联问题。新型瓦斯移动远程监测监控系统采用了基于ZigBee技术的矿用无线信号转换器和分站互联, 实现了无线Mesh组网, 具有更高可靠性, 自我配置和网络自愈功能等优点。
2.2 多RF传输和抗干扰宽带通信
新型瓦斯移动远程监测监控系统的矿用无线信号转换器还具备适应不同环境采取多种RF传输的能力, 如既可选用2.4 GHz, 也选用868/915 MHz无线模块传输数据, 且都可复用相同的模拟或数字信号转换电路。此外, 新型瓦斯移动远程监测监控系统的RF通信模块不但采用了抗干扰能力强的直序扩频 (DSSS) 宽带通信技术, 同时还采用了前向纠错、GFSK调制、均衡和软判决等, 避免了一般窄带通信因晶振的温飘和老化, 以及因目标快速移动产生的多普勒效应和多径效应造成的工作不稳定问题, 从而使得系统抗干扰能力比传统的窄带通信技术更强。
2.3 高精度频率偏差补偿算法和高效CRC校验
矿用无线信号转换器是通过单片机定时器定时计数方式, 来重新产生和输出机载甲烷检测自动断电控制器通过RF模块发射的频率类型的数字信号。由于单片机本身定时计数机制等因素, 导致矿用无线信号转换器产生不同频率信号输出时出现一定程度的频率偏差现象。因此, 需要通过软件程序设计高精度频率偏差补偿算法对此加以修正。矿用无线信号转换器对瓦斯浓度参数转换误差进行频偏误差补偿的部分程序代码见图4。通过大量实验表明, 当要转换的频率越低, 转换误差越小。例如, 转换频率为200 Hz时, 转换偏差约为0.01%～0.03%;当转换的频率越高, 转换误差越大, 如转换频率为1 000 Hz时, 转换最大偏差可达0.1%以上。在矿用无线信号转换器主程序设置定时器定时常数代码中, 针对200～1 000 Hz分别添加了不同频率值误差修正系数, 如10, 12, 13, 14等, 从而有效地提高了信号转换输出的精度, 目前可达99.99%。
此外, 考虑到矿井瓦斯监测数据传输的实时性要求, 采用了处理速度较快的8位CRC校验算法, 其生成多项式可采用x7+x4+x3+x0或者x7+x3+x2+x0。
3 巷道实验和工业试验
图5展示了新型瓦斯移动远程监测监控系统实验和试验样机。通过在煤炭科学研究总院重庆研究院模拟巷道实验和阳泉煤矿井下工业性试验测试, 整个机载瓦斯远程监测能力和数据无线传输精度进一步得到验证, 最大传输误差不超过0.01%, 监控中心软件界面见图6。
针对不同RF的矿用无线信号转换器在巷道的有效传输距离进行了大量实验测试, 结果如表2所示。选用2.4 GHz功耗低且传输距离远的ZigBee模块, 在矿井平直实验巷道其单跳有效传输距离最大可达610 m。此外, 在阳泉煤矿工作面进行了工业现场试验, 结果也表明该系统可正常运行, 并能将矿井瓦斯等信息实时上传到现有KJ90 (NA/NB) 等煤矿安全监控系统地面监控中心。
4 结论与展望
基于ZigBee无线传感器网络的新型瓦斯移动远程监测监控系统装置, 有效解决了现有瓦斯监测系统面临的移动在线连续监测接入监控系统的难题。巷道实验和工业试验结果表明, 采用无线传感器网络技术有效地实现了机载瓦斯移动远程在线连续监测和断电控制功能, 为提高煤矿开采的安全等级提供了一种灵活、经济和方便实用的技术手段, 未来可广泛推广应用到其他灾害预警监测系统中, 如顶板移动监测等地质灾害监测系统, 风速、温度、湿度、CO等井下环境监测系统, 井下应急救灾侦测和通信系统, 电网、水泵、胶带和机电运输无线监测系统等。
摘要：为适应煤矿井下复杂工作环境, 满足监测监控系统在移动开采条件下实现瓦斯连续在线远程监测和远程断电控制, 提出一种基于Z igBee无线传感器网络技术机载瓦斯移动远程监测监控系统, 分析了该系统实现的网络通信关键技术, 给出其在巷道实验和矿井工业性试验结果。测试结果表明, 该系统不但可减小矿山瓦斯灾害监测系统布线困难和成本, 而且还为有效实现矿井瓦斯移动远程监测和远程电力控制提供了一种新思路。
关键词：瓦斯监测,无线传感器网络,ZigBee,矿山安全,电力控制
参考文献
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