【正文】 化碳中毒事件的防控水平，有效確保了百生安居樂業(yè)、社會(huì)安全穩(wěn)定。該檢測(cè)儀主要用于監(jiān)測(cè)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(xiǎn)惡劣的環(huán)境中對(duì)煤的自燃等各種內(nèi)、外因造成的火災(zāi)實(shí)現(xiàn)就地監(jiān)測(cè)和遙測(cè)。 國外在氣體檢測(cè)儀的研究主要集中在氣體傳感器的氣敏材料的創(chuàng)新以及復(fù)合氣體采集的實(shí)現(xiàn)上。現(xiàn)在的氣體檢測(cè)儀多集中于氣體傳感器陣列電子鼻系統(tǒng)，可檢測(cè)多種氣體。美國英思科公司是全球知名的設(shè)計(jì)制 造和銷售工業(yè)級(jí)便攜式和固定式有毒有害氣體檢測(cè)儀的專業(yè)公司。 M40?M 煤礦專用 4氣體檢測(cè)儀：首家獲得煤安 MA 認(rèn)證 ，鋰電池可連續(xù)工作 18 小時(shí)，超大 LCD 顯示， 75 小時(shí)數(shù)據(jù)記錄， 50 英尺遠(yuǎn)程采樣，可檢測(cè)氧氣（ O2）、甲烷氣體（ CH4）、一氧化碳 (CO)、硫化氫（ H2S）。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 研究目的與意義 煤田火區(qū)治理是一個(gè)世界性難題，在全球范圍內(nèi)除了南極洲以外，其他幾大洲都存在地下煤火現(xiàn)象。這三個(gè)自治區(qū)的煤炭?jī)?chǔ)量約占全國儲(chǔ)量的 80％以上，可是這些地區(qū)又是全國煤田火災(zāi)最為嚴(yán)重的省區(qū)。往往煤田有多處自燃著火區(qū)，不可能同時(shí)去滅火，因此可根據(jù)著火點(diǎn)空氣污染的嚴(yán)重程度來決定優(yōu)先滅火。監(jiān)測(cè)人員不用到現(xiàn)場(chǎng)也可監(jiān)測(cè)氣體排放情況，保護(hù)了監(jiān)測(cè)人員的安全，為進(jìn)一步治理當(dāng)?shù)氐目諝馕廴咎峁┮罁?jù)，最終達(dá)到保護(hù)空氣環(huán)境、節(jié)能減排的目的。我國“十一五”規(guī)劃綱要提出，“十一五”期間單位國內(nèi)生產(chǎn) 總值能耗降低 20％左右、主要污染物排放總量減少 10％。節(jié)能減排意義深遠(yuǎn)，這應(yīng)該是一項(xiàng)全社會(huì)、全球性的自發(fā)行為。只有堅(jiān)持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展，才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展。研究?jī)?nèi)容主要分為以下五個(gè)方面： ； 2無線氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)；； 。 第二章 主要介紹了在本設(shè)計(jì)當(dāng)中用到的相關(guān)知識(shí)的理論，技術(shù)分析，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案的設(shè)計(jì)。 第四章 主要對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì) ，包括軟件的結(jié)構(gòu)圖，核心模塊的流程圖以及相應(yīng)的代碼。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第二章 氣體檢測(cè)總體方案 氣體檢測(cè)原理 一氧化碳傳感器工作原理 當(dāng)一氧化碳?xì)怏w通過傳感器外殼上的氣孔經(jīng)透氣膜擴(kuò)散到工作電極表面上時(shí)，在工作電極的催化作用下，一氧化碳?xì)怏w在工作電極上發(fā)生氧化。在工作電極上發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的 ?H 離子和電子，通過電解液轉(zhuǎn)移 到與工作電極保持一定間隔的對(duì)電極上，與水中的氧發(fā)生還原反應(yīng)。因此，傳感器內(nèi)部就發(fā)生了氧化 還原的可逆反應(yīng)。這個(gè)氧化 還原的可逆反應(yīng)在工作電極與對(duì)電極之間始終發(fā)生著，并在電極間產(chǎn)生電位差。 為了維持極間電位的恒定，我們加入了一個(gè)參比電極。當(dāng)氣體傳感器產(chǎn)生輸出電流時(shí)，其大小與氣體的濃度成正比。這樣，在氣體傳感器上外接信號(hào)采集電路和相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和輸出電路，就能夠?qū)σ谎趸細(xì)怏w實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和監(jiān)控。有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微 小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。 1） ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置 在 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)中，從設(shè)備功能上分為兩種類型：全功能節(jié)點(diǎn) FFD（ Full Function Device）和半功能節(jié)點(diǎn) RFD（ Reduced Function Device）。 RFD節(jié)點(diǎn)：精簡(jiǎn)功能設(shè)備，功能簡(jiǎn)潔 ,存儲(chǔ)器容量要求較少。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)含三種類型的節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。主節(jié)點(diǎn)就是協(xié)調(diào)器，無論 ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用何種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都需要有由一個(gè) FFD節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的主節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)也是一個(gè) FFD節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信息和維護(hù)網(wǎng)內(nèi)路徑，允許子節(jié)點(diǎn)通過它加入網(wǎng)絡(luò)，通常路由節(jié)點(diǎn)不能夠休眠。 2） ZigBee尋址方式 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)地址： 16位網(wǎng)絡(luò)地址和 64位的 MAC地址。 64位 MAC地址通常稱為長(zhǎng)地址，它是由 IEEE來分配和維護(hù) ，并且通常是由制造商設(shè)置或者安裝時(shí)被設(shè)置，設(shè)備將在其生命周期中一直擁有該地址。當(dāng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備成功加入 ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器則為設(shè)備分配一個(gè) 16位短地址，其在同一個(gè) PAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部唯一。單播：當(dāng)單播一個(gè)消息時(shí)，數(shù)據(jù)包的 MAC報(bào)頭中應(yīng)含有目的節(jié)點(diǎn)的地址，只有知道了接收設(shè)備的地址，消息方才可以單播方式進(jìn)行發(fā)送。此時(shí)，所有射頻收發(fā)使能的終端皆可接收到該信息。 （ 1) 星型網(wǎng)絡(luò) 星型網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)終端組成的，其結(jié)構(gòu)如圖 21所示。 圖 21 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較低的設(shè)備本、較少的上層路由信息并且管理簡(jiǎn)便。 （ 2）樹型網(wǎng)絡(luò) 樹型網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)協(xié)調(diào)器和一系列的路由器及終端節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 22所示。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 22 樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 樹型拓?fù)涫抢寐酚善鲗?duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)充，適合分布范圍相對(duì)較大的應(yīng)用場(chǎng)合，網(wǎng)絡(luò)有一定的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，可以很好地用在一些簡(jiǎn)單 的低數(shù)據(jù)量的大規(guī)模集合的應(yīng)用之中。 （ 3）網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò) 圖 23 網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)也包括一個(gè)協(xié)調(diào)器和一系列的路由器及終端節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 23所示，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是在樹型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，從拓?fù)鋱D中可看出，全功能節(jié)點(diǎn)的路由器可直接連，由路由器中的路由表配合實(shí)現(xiàn)消息的網(wǎng)狀路由。使得信息的通信變得更有效率，如果通信過程中一個(gè)路由路徑出現(xiàn)了問題，信息可以自 動(dòng)的沿著其它的路由路徑進(jìn)行傳輸。 無論是星型、樹型、還是網(wǎng)格型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)獨(dú)立的 PAN都有一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符 (PAN ID)，每一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的所有設(shè)備都有唯一的 64位的長(zhǎng)地址，利用該長(zhǎng)地址設(shè)備可以在個(gè)人區(qū)域網(wǎng)中直接進(jìn)行通信。 （ 4） ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)與 ZigBee協(xié)議由物理層 (PHY)、介質(zhì)接入控制子層 (MAC)、網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)、應(yīng)用層 (APL)構(gòu)成，其協(xié)議構(gòu)架如圖所示。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 應(yīng) 用 層網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù) 據(jù) 鏈 路 層L L CM A C物 理 層 圖 24 ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 物理層 (PHY)由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理 信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。 LLC子層在 ；而 MAC子層協(xié)議則依賴于各自的物理層。前者保證 MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)， 而后者從事 MAC層的管理活動(dòng)，并維護(hù)一個(gè)信息數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體作為其向應(yīng)用層提供的接口。 ZigBee的應(yīng)用層架構(gòu)，最重要的是已涵蓋了服務(wù) (Service)的概念。對(duì)于 ZigBee裝置而言，當(dāng)加入到一個(gè) WPAN后，應(yīng)用層的 ZD0會(huì)發(fā)動(dòng)一系列初始化 的動(dòng)作：先通過 APS做裝置搜尋 (Device Discovery)以及服務(wù)搜尋 (ServiceDiscovery)，然后根據(jù)事先定義好的描述信息 (Description)將與自己相關(guān)的裝置或是服務(wù)記錄在 APS里的綁定表 (Binding 1曲 le)中．之后所有服務(wù)的設(shè)備采用應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行建模。 (PHY)和 MAC層的功能。兩者均采用直 擴(kuò)序列調(diào)制 (DSSS)方式， 868／ 915MHz物理層采用簡(jiǎn)單的 DSSS方法， DSSS方法的十六進(jìn)制準(zhǔn)正交調(diào)制技術(shù)。 兩個(gè)物理層共有 3個(gè)頻帶，被分為 27個(gè)頻率信道。 16個(gè)信道，為 1227號(hào)信道，每個(gè)信道的頻帶帶寬 達(dá) 5MHz,易于滿足發(fā)射和接收濾波器的設(shè)計(jì)要求。 250kb/s，而 868/9l5MHz物理層對(duì)其兩段頻帶分別提供江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 20kb/s和 40kb/s的傳輸速率。 PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)可以通過無線物理信道發(fā)送和接收物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PPDU)來實(shí)現(xiàn)。 表格 25 不同通信方式的比較 通信方式 性能 藍(lán)牙 WiFi UWB IrDA HomeRF ZigBee 系統(tǒng)開銷 較大 大 小 大 較大 小 電池壽命 較短 短 短 長(zhǎng) 較長(zhǎng) 長(zhǎng) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù) 7 30 100 2 127 255/65535 有效物理范圍 10m 100m 10m 定向 1m 50m 1150m 數(shù)據(jù)傳輸率 1Mbps 11Mbps 500Mbps 16Mbps 1/2Mbps 20/250kbps 傳輸介質(zhì) 980nm紅外 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù) 1） 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 由于傳感器節(jié)點(diǎn)能源能量的限制，其計(jì)算、存儲(chǔ)和通信能力十分有限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能獲取到局部網(wǎng)絡(luò)的信息。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層 4個(gè)層次。 2） 核心支撐 技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里的核心支撐技術(shù)使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議提供的服務(wù)，并通過服務(wù)接口來屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)，使終端用戶可以方便的對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心支撐技術(shù)包括拓?fù)淇刂?、?jié)點(diǎn)定位、時(shí)間同步、網(wǎng)內(nèi)信息處理和網(wǎng)絡(luò)安全等。自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議提夠的服務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)管理接口來屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)，使終端用戶可以方便的管理配置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 4） 開發(fā)與應(yīng)用 作為一種服務(wù)于實(shí)際應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還有有一套現(xiàn)實(shí)可行的軟硬件設(shè)計(jì)原則、高效的開發(fā)平臺(tái)以及一系列別具特色的應(yīng)用實(shí)例。 2）能耗問題： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持休眠模式，實(shí)現(xiàn)了低功耗。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 圖 26 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 用于煤田火區(qū)空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。為獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個(gè)不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，從而形成多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的任務(wù)，部分傳感器節(jié)點(diǎn)還具備消息轉(zhuǎn)發(fā)的中繼功能，成為路由節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)是一個(gè)數(shù)據(jù)處理能力和存儲(chǔ)能力都較強(qiáng)的 ZigBee 節(jié)點(diǎn)，充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的當(dāng)?shù)仫@示和本地?cái)?shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，可江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 以將數(shù)據(jù)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。更形象的話可以分為兩個(gè)部分，即信息采集系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)主要包括檢測(cè)控制中心。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 第三章 氣體檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)是整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，好的硬件平臺(tái)可以平衡網(wǎng)絡(luò)性能和成本之間的關(guān)系，本章在硬件 方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)描述了氣體檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件的總體結(jié)構(gòu)和每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)過程。匯聚節(jié)點(diǎn)分布式處理中心，即協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)可以與多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通信，當(dāng)用戶沒有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行低功耗的信道掃描。不同功能的節(jié)點(diǎn)需要不同的硬件基礎(chǔ)。低功耗的設(shè)計(jì)可以分硬件和軟件兩方面，在硬件方面體現(xiàn)在芯片的選擇上。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示。 集成了處理器模塊和無線通信模塊的功能，有利于實(shí)現(xiàn)煤田無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)的小型化，同時(shí)省去了連接處理器和無線通信模塊的麻煩，并且對(duì)于組建整個(gè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)而言，節(jié)約的成本也相當(dāng)可觀。 無線收發(fā)模塊上留有雙排 20腳的外擴(kuò) I/O插針，通過該插針可以實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)模塊的功能擴(kuò)展以及和擴(kuò)展模 塊相連。 處理器模塊先把采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)由無線通信模塊發(fā)出。其主要包括接口電路、 和 電源濾波路、芯片晶振電路、天線電路 、入網(wǎng)指示電路等。 它使用 1個(gè) 8位 MCU(8051)，具有 128 KB可編程閃存和 8 KB的 RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個(gè)定時(shí)器、 AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、 32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路，以及 21個(gè)可編程 I/O引腳。引腳 1 接電源 VCC，引腳 19接地，引腳 4和引腳 16分別接傳感器 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12