1、无线传感器网络气体监测系统的研究与设计,目录,一 选题的依据和意义 二 国内外现状及发展趋势三 研究内容四 准备工作情况和主要工作措施五 工作计划六 预期成果七 难点和创新点八 参考文献,煤田火区治理是一个世界性难题，在全球范围内除了南极洲以外，其他几大洲都存在地下煤火现象。美国、印度等国家同样受到煤田自燃引发灾害的困扰。我国煤田火区主要分布在新疆、宁夏和内蒙古。这三个自治区的煤炭储量约占全国储量的80以上，可是这些地区又是全国煤田火灾最为严重的省区。据有关部门估算，这3个自治区潜在燃烧面积多达720平方公里，燃烧的煤火每年破坏煤炭资源多达2亿吨，燃烧时排放出大量的有毒有害气体严重地污染了大气
2、环境，在对流层会形成大范围的酸雨，并可能破坏臭氧层，给当地的自然环境和人民生活带来很大的威胁。,一 选题的依据和意义,选题的依据和意义,往往煤田有多处自燃着火区，不可能同时去灭火，因此可根据着火点空气污染的严重程度来决定优先灭火。在煤田着火区域密集布设无线传感器网络气体监测节点可以实时地远程监测的有害气体排放的情况，这充分体现了无线传感器网络的特点。监测人员不用到现场也可监测气体排放情况，保护了监测人员的安全，为进一步治理当地的空气污染提供依据，最终达到保护空气环境、节能减排的目的。节能减排指的是减少能源浪费和降低废气排放。我国“十一五”规划纲要提出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20
3、左右、主要污染物排放总量减少10。,选题的依据和意义,节能减排是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结构调整，转变增长方式的必由之路；是维护中华民族长远利益的必然要求。节能减排意义深远，这应该是一项全社会、全球性的自发行为。我们要保护我们的生存环境，为我们的后代着想，而绝对不能为了眼前的利益以破坏环境为代价。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。,二 国内外研究现状及发展趋势,国外在气体检测仪的研究主要集中在气体传感器的气敏材料的创新以及复合气体采集的实现上。气体检测仪做成便携式的和固定式的两种。现
4、在的气体检测仪多集中于气体传感器阵列电子鼻系统，可检测多种气体。日本费加罗公司发明的TGS系列半导体式气体传感器优良的长期稳定性和可靠性以在全世界获得广泛确认。美国英思科公司（Industrial Scientific Corporation）是全球知名的设计制造和销售工业级便携式和固定式有毒有害气体检测仪的专业公司。Industrial Scientific已成为全球坚固可靠的气体监测仪器(系统)的代名词。,M40M 煤矿专用4气体检测仪：首家获得煤安MA认证 ，锂电池可连续工作18小时，超大LCD显示，75小时数据记录，50英尺远程采样，可检测氧气（O2）、甲烷气体（CH4）、一氧化碳 (
5、CO)、硫化氢（H2S）。 T40 单气体检测仪，使用普通5号电池，容易更换，翻盖标定罩，美国专利，标定简便，重量轻、体积小，获得中国煤安MA认证，超大LCD液晶显示屏能清晰的读出气体浓度、种类、峰值和高、低浓度报警水平，可检测HS或CO。,国内外研究现状及发展趋势,国内外研究现状及发展趋势,北京市朝阳区一氧化碳预警系统是国内气体传感器检测气体的一个物联网的特例。该系统通过在房屋内安装监控探测器和无线传输模块3万只，对空气中的一氧化碳浓度进行24小时实时监控。2010年春节期间，各监控中心共收到一氧化碳浓度超标报警信息194例，所有报警全部按照既定流程进行了及时处置，通过防手段减少人防工作量，
6、提高对一氧化碳中毒事件的防控水平，有效确保了百生安居乐业、社会安全稳定。,国内外研究现状及发展趋势,煤炭科学研究总院重庆研究院研发的GTH500(B)型一氧化碳传感器。该检测仪主要用于监测煤矿井下环境气体中一氧化碳的浓度，能在具有瓦斯或煤尘爆炸等危险恶劣的环境中对煤的自燃等各种内、外因造成的火灾实现就地监测和遥测。它采用高性能进口电化学原理的气体传感器7E/F(英国CITY)，在整个硬件软件设计中，采取多种抗干扰措施，满足国家相关标准的电磁兼容要求，具有性能稳定、测量精度高、响应速度快、故障自检、结构坚固、易使用易维护等特点。,气体检测仪器的发展方向,气体传感器的研究涉及面广、难度大，属于多学
7、科交叉的研究内容。气体传感器智能化是其发展的必由之路。智能气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术、模糊理论等多学科综合技术的基础上得到发展。气敏材料的开发和根据不同原理进行检测器结构的合理设计一直受到研究人员的关注。未来气体传感器的发展也将围绕这两方面展开工作。目前仿生气体传感器也在研究中。警犬的鼻子就是一种灵敏度和选择性都非常好的理想气敏传感器，结合仿生学和传感器技术研究类似狗鼻子的“电子鼻”将是气体传感器发展的重要方向之一。,三 研究内容,研究内容主要分为以下五个方面：1.有害气体监测系统设计总体方案；2.无线气体传感器网络组
8、网；3.节点软硬件设计；4.气体检测模块研究；5.监测控制中心管理系统设计,1.有害气体监测系统设计总体方案,有害气体监测系统设计总体方案,用于煤田火区空气环境监测系统的网络拓扑结构如图所示。这是一个层次型网络拓扑结构，最左边为部署在实际监测环境中的传感器节点组成的网络，往右依次为移动网络、网关，最终连接到Internet网。为获得准确的数据，传感器节点的部署密度往往很大，并且可能部署在若干个不相邻的监控区域内，从而形成多个传感器网络；传感器节点将感应到的数据传送到转发节点，再由转发节点发送到汇聚节点sink，汇聚节点负责将数据经移动网发送到网关上。,2.无线气体传感器网络组网,无线气体传感器
9、网络组网,蜂窝网络被广泛采用的原因是源于一个数学猜想，正六边形被认为是使用最少结点数且可以完整覆盖某一区域最大面积的图形，出于节约设备构建成本的考虑，正六边形是最好的选择。蜂窝通常使用正六边形来表示。无线蜂窝网在提高无线网络的覆盖率方面起到关键性作用。网络出故障时提供有效的迂回路由，确保通信畅通无阻;与专线或菊花链相比更具弹性和可靠性，而且网络具有自配置、自组织和自愈的能力。蜂窝网络允许节点或接入点与其他节点通信，而不需要路由到中心交换点，从而消除了集中式的故障，提供自我恢复和自我组织的功能。,3.节点软硬件设计,1）传感器节点硬件设计,节点软硬件设计,2）汇聚节点硬件设计,节点软硬件设计,3
10、）节点软件设计,4.气体检测模块研究,1）气体传感器选型根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。 要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为便携式还是固定式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。,气体检测模块研究,2）气体
11、传感器的性能指标有灵敏度、响应特性(反应时间)、线性范围。 3）气体传感器的种类如下: （1）半导体气体传感器 （2）固体电解质气体传感器 （3）接触燃烧式气体传感器 （4）光学式气体传感器 （5）石英谐振型气体传感器 （6）表面声波气体传感器 （7）固体高分子电解质型气体传感器 （8）电化学气体传感器 其中半导体气体传感器分为金属氧化物半导体气体传感器和有机半导体气体传感器。金属氧化物半导体传感器又可分为电阻式和非电阻式两种。,气体检测模块研究,4）COM2442模块研究COM2442是一款费加罗公司设计的基于半导体传感器TGS2442的模块，用于检测气体CO。实物见左图。该模块集成了气体信
12、号值的采集和调理（放大）电路，输出模拟量，表征CO的浓度值。该模块的组成结构见右图。,气体检测模块研究,5.监测控制中心管理系统软硬件设计,1）监测中心硬件设计,监测控制中心管理系统软硬件设计,2）监测中心软件设计,四 准备工作情况和主要工作措施,分析煤田火区可能产生的有害气体；查阅气体传感器的相关资料，了解气体传感器的分类以及各类气体传感器的工作原理，着重了解半导体气体传感器和电化学气体传感器及其信号的调理电路设计。根据半导体气体传感器TGS2442较高的性能指标和信号调理电路的可行性，购买CO气体检测模块COM2442。研究CO气体检测模块COM2442，查阅模块中的各个芯片的引脚定义、功
13、能定义、时序等，为将来自行设计适合用于无线传感器网络有害气体监测节点的气体传感器采集和调理模块做好准备。,准备工作情况和主要工作措施,研究C8051F930处理器，特别是该处理器的A/D转换功能，COM2442模块输出的是放大的模拟量，需要作模数转换。研究收发模块SI4432。处理器模块通过SPI接口电路连接SI4432收发器模块，将采集来的数据发送到下一个节点。COM2442驱动程序的编写，结合开发板提供的开发平台或者使用IAR Embedded workbench For C8051F930开发软件进行气体监测节点的硬件设计。学习在上位机上进行数字信号处理。上位机在VC+开发环境下嵌入Ma
14、tlab引擎，借助Matlab的数字信号处理分析采集到的数据。,五 工作计划,六 预期成果,将传感器节点被放置在煤田着火点的监测区域内，传感器节点能够自主形成网络。每个节点搜集周围环境的气体浓度值。由于节点就处于煤田火区的气体监测环境中，大量部署功能稍弱但非常廉价的节点可以得到的监测数据能够满足一定的精度要求;相比于传统的使用少数几个处理能力较强的监测设备的方法，大规模的网络具有更强的鲁棒性。处于传感器网络边缘的节点必须通过转发节点向汇聚节点发送数据。每个传感区域都有一个汇聚节点负责搜集传感器节点发送来的数据。所有的汇聚节点都连接到上层移动网络上。移动网络通过移动基站与Internet网连接。
15、传感器节点搜集的数据最后都通过Internet传送到监管中心的数据库存储。监管中心远程对数据进行分析处理，从而了解现场气体排放情况。,七 难点和创新点,难点：气体传感器采集和调理电路设计，降低整个节点的功耗；硬件驱动程序编写；收发模块中数据融合算法和路由设计；通信中的同步问题；上位机用于分析和处理传感数据的软件设计。创新点：将气体传感器模块用于无线传感器网络的节点设计，达到实时远程监测气体的目的；用于无线传感器网络节点的信号处理分析软件设计。,八 参考文献,1黄双根,吴燕,黄大星.基于STC89C52新型一氧化碳报警器设计J.机械与电子 2009.102朱前伟,孙小进,赵小兵,赵波.基于单片机
16、的一氧化碳传感器的设计J.计算机测量与控制 2009.073王广平,于海勋,王凯.基于单片机C8051F005的一氧化碳传感器J.仪表技术与传感器 2009.084王振军，张文超，程春荣.基于SnO2气体传感器阵列电子鼻系统设计J.中国水运 2009.115张苗,杨建华,俞俊.基于虚拟仪器开发平台的便携式电子鼻系统J.仪表技术与传感器 2007.056张冬泉，谭南林，苏树强.Windows CE实用开发技术M.清华大学出版社，2009,八 参考文献,7 Bin Guo, Amine Bermak, Philip C. H. Chan, Gui-Zhen Yan,“An Integrated S
17、urface Micromachined Convex Microhotplate Structure for Tin Oxide Gas Sensor Array,” IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 7, NO. 12, DECEMBER 20078 W. Elmenreich, W. Haidinger, and H. Kopetz, “Interface design for smart transducers,” in Proc. IEEE 18th Instrumentation and Measurement Technology Conf., vol. 3, 2001, pp. 16421647.9 S. A. Bota, A. Diguez, J. L. Merino, R. Casanova, J. Samitier, and C. Can, “A monolithic interface circuit for gas sensor array control and measurement,” Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol.40, pp. 175184, 2004, to be published.,
