现代检测理论与技术课程设计

1、重庆大学研究生课程报告书基于Zigbee无线网络的瓦斯浓度检测系统课程名称：现代检测理论与技术姓 名： 学 号学 院：专 业：控制工程一、研究背景和目的1.1研究背景和目的近年来，煤矿事故频频发生，煤矿工人的安全问题时时牵拉着人们的神经。煤碳是国家经济发展的重要能源，所以安全生产、加强煤矿的安全建设已经越来越紧急和迫切。煤矿事故的元凶主要是瓦斯，因瓦斯事故每年都给国家和人民带来巨大损失。煤矿瓦斯治理是煤矿安全生产治理的核心，如何有效控制瓦斯事故是解决煤矿安全问题的关键。据不完全统计，在 1981 至 2001 年期间，全国煤矿事故总计死亡约 12.6 万人，其中重特大瓦斯事故死亡人数占 72.

2、3%，平均每年死亡 1579 人。2005 年，煤矿瓦斯事故发生 405 起，死亡 2157 人；2006 年瓦斯事故发生 327 起，死亡 1319 人。仅 2005 年 12月 7 日河北省唐山市恒源实业有限公司的瓦斯煤尘爆炸事故就造成了 108 人死亡，29人受伤的严重后果，直接经济损失 4870.67 万元。在这些残酷的数字面前，人们清醒得认识到，若要保障人民的生命安全和国家的经济正常发展，必须加强煤矿的安全生产，加强瓦斯含量的检测力度，努力做到防患于未然，才能将损失降低到最小。由于煤矿自然环境复杂，矿井开采条件多变，而且存在着火灾、水灾等自然灾害，加上煤矿作业空间十分狭小，照明条件差

3、等因素，目前常用的煤矿安监系统仍使用有线方式，即采用光缆、电力线缆或信号线缆等，有线方式存在以下缺陷： (1)布线繁琐，安装维护成本大。监测系统所需的大量光缆、电缆价格不菲，此外在复杂的地下环境布设线路同样需要消耗大量的人力物力。 (2)覆盖范围有限。由于地形环境复杂多变，矿井中存在着大量难以布线的区域，有线监控系统很难遍布矿井的各个地区，无法实现对整个矿井的全方位监测，为安全生产留下隐患。 (3)线路依赖性强。有线网络的自我修复能力较差，局部线路遭到破坏很可能造成整个监控系统的瘫痪。特别是发生爆炸事件时，线缆往往会受到致命的破坏，不能为搜救工作及事态检测提供信息。现阶段，随着各地矿井开采深度

4、的增加，已有的安检系统难以扩展网络、灵活性不高已成为制约安全检测的瓶颈。这使得网络数据的可靠性、有效性和实时性得不到保证，难以确保重要数据及时传输。因此，利用无线网络构建网络简单、扩展性强的特点解决煤矿安检系统对实时性、可扩展性和低成本的需求已经非常迫切。1.2 瓦斯含量检测技术及Zigbee发展现状目前，瓦斯检测采用的是瓦斯巡回检查，即派专职人员以巡检的形式，定期采集指定地点的瓦斯信息。但是该方式存在以下缺点： (1) 人工获取数据、手工记录，无法做到实时检测。 (2) 瓦检员人身安全难以保证。 (3) 历史数据查询麻烦、不能根据历史记录直接进行分析。 所以设计更合理、更高效的瓦斯采集方案摆

5、在了人们的面前。 Zigbee 无线网络是无线网络的一个成员，主要用于无线传感器网络的建立。无线传感器网络是由分布在给定区域内的众多无线传感器节点构成的网络。每一个传感器节点都有一种或多种传感器用来获取信息，并具有一定的计算能力。各节点之间通过网络协议实现信息的交流、汇集和处理，从而实现对局部区域内目标的探测和定位。随着通信技术、嵌入式技术和传感器技术的飞速发展，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。 国际上比较有代表性和影响力的无线传感器网络实用项目有：遥控战场瓦斯监测系统、智能尘埃项目、野生动植物行为习性监控网络等。目前，英特尔公司与加州大学伯克利分校正领导者“

6、微尘”技术的研究工作，已经成功研制了瓶盖大小的全能传感器，可以执行计算、检测与通信功能。在日本，日立公司已开发出了全球最小的无线传感器网络终端，该终端可以连接各种传感器包括温度、亮度、红外线以及加速度等。可以应用于安全管理和智能家庭。我国的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步。2001 年由中国科学院牵头，由上海微系统所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中国科技大学等十余家科研院所和高校建立了传感器网络系统研发平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器节点等方面取得了很大进展。Zigbee无线传感器网络已经在各领域展开了广泛的应用。二、瓦斯浓度检测技术2.1 瓦斯传感器

7、技术目前，矿井中常用的瓦斯传感器可分为热导式和热效式两大类。 热导式瓦斯传感器利用瓦斯与空气导热系数的不同而测量瓦斯浓度。这种传感器在工作时需通入恒定的电流，将其加热到一定的温度(180左右)才能工作，功耗较大，且其中的半导体热敏式电阻传感器受水蒸汽的影响较大，元件的一致性和互换性也较差。热导式瓦斯检测仪在测定低浓度的瓦斯时，输出信号很小误差较大。因此，这类传感器制成的瓦斯检测仪适用于测量高浓度的瓦斯(5%100%)。目前这种传感器在矿井中应用较少。 热效式瓦斯传感器(又称热催化式瓦斯传感器)，其工作原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧产生热量，使元件电阻因温度升高而发生变化，通过测

8、量电阻端电压来测知瓦斯的浓度。这种传感器的优点是精度较高，输出信号较大(1%CH 时，输出电压可达 1520mV)，且不受其它燃气和灰尘存在的影响。它的缺点是元件表面温度高(300450)；寿命短(多数国家均保证 1 年)；功耗大(其加热功率1W。热催化元件功耗为 0.30.75W)，易受硫、铅、磷、氯等的化合物干扰而使催化剂中毒，降低其灵敏度，甚至误报。综合上述因素，本课题中传感器器件选用DYNAMENT公司生产的MJC4传感器，其结构图如图2.1所示。图2.1 元件外形结构2.2 Zigbee无线网络技术ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，Z

9、igBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂是靠飞翔和“嗡嗡”地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层

10、遵循IEEE 802.15.4标准的规定。它有如下特点：(1) 低功耗：由于Zigbee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此Zigbee设备非常省电。(2) 成本低：Zigbe模块的初始成本在 6 美元左右，估计很快就能降到 1.52.5 美元，并且Zigbe协议是免专利费的。(3) 延时短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是 15ms，活动设备信道接入的时延为 15ms。(4) 可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。 (5) 安全：Zigbee提供了基于

11、循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证。基于以上特点，Zigbee 网络成为无线传感器网络的首选，它非常适宜于在工矿环境下构建传感器网络。2.3 瓦斯检测系统设计方案本课题研究的是 Zigbee 无线传感器网络在瓦斯采集系统中的应用。因此，研究的重点在网络系统的建立上。另外传感器如何采集数据并将之放于网络，也是本课题的一个重点。下面介绍本系统的总体设计方案。本系统主要包括 Zigbee 无线网络传输部分和瓦斯信息采集和处理部分，将二者分开的目的是增加网络的应用范围，只需要建立一次网络就可以连接多种应用。其中，Zigbe无线网络部分的主要功能是完成矿井下信号的无线传输，它包

12、括 Zigbee射频模块和底板模块两个部件。将二者分开是因为射频部分需要考虑板材的选取和天线的设计，将它们分开可以降低成本、避免干扰。Zigbee底板主要提供功能外设，包括模块电源设计、程序下载 Debug 口的设计、液晶显示电路设计、按键和各种接口设计等。两大部分通过串口进行数据的通信，其连接关系如下图： 图2.2 模块连接关系瓦斯采集及信息处理模块主要完成瓦斯信息的采集和处理。电路主要包括瓦斯传感器的配置，CPU主芯片MSP430F169的配置，液晶显示模块电路的设计，按键部分电路设计及各种接口电路的设计等。三、系统硬件电路设计3.1 系统总体设计瓦斯浓度检测仪电路按照I类电气设备(煤矿用

13、电气设备)本质安全电路的要求进行设计，以MSP430F157为核心，外扩电源监视看门狗电路，传感器探头驱动电路，检测信号滤波放大电路，420mA电流环电路，RS485接口电路，报警输出接口及电源部分等，电路原理框图如图3.1所示。图3.1 系统总体原理图系统的硬件功能模块主要分为协调器、路由器、终端节点和瓦斯采集节点，其中协调器、路由器、终端节点因为主芯片相同可以用同一套硬件系统来实现，只要下载相应的软件即可完成相关功能。3.2 Zigbee网络模块电路设计Zigbee网络模块因为要包含协调器、路由器和终端节点三种网络设备的功能。因此需要完备的电路配置，本设计采用底板和射频板分离的方案，在底板

14、上设计了各种功能。 (1) 电源部分：如下图3.4所示，电源部分采用电池供电和电源供电两种供电方式，用户可以自行选择。电池供电采用2节1.5V干电池，由于系统主板要求电源电压3.3V，输入电压不能小于2.8V，若电池电量降低供电电压会低于2.8V，为了最大限度使用电池，需要使用BOOST 电源芯片SP6641将3V的电池电压转换成 3.3V，然后使用线性电源芯SP6201过滤开关电源产生的纹波电压。电源供电方式，由于其输入电压为5V，同样需要转换为系统所需的3.3V，这里采用线性电源芯片AM1117 来完成电压的转换。图3.1 电源模块(2)串口部分：如下图 3.5 所示，用芯片 MAX323

15、2 来完成串口的配置，同时加上发送和接收两个端口的 LED 灯指示，方便调试。系统选用 P0.2 和 P0.3 两个串口作为系统的输入输出串口。图3.2 串口模块(3)液晶显示部分：如下图3.7所示，本系统采用东显LCD12864-I型号的液晶模块，因为此模块是并行数据口，而CC2430引脚资源有限只能使用串行数据，所以使用74HC595芯片将CC2430的串行数据变换为并行数据再连接液晶模块。图3.3 液晶显示部分四、系统软件程序设计4.1 系统软件数据流程本系统主要通过串口透传方法将 A/D 采样的数据经终端节点送到网关协调器，其传输介质是电磁波，整个数据流程经过了多个模块，如下图 4.1

16、 所示。图 4.1 系统软件数据流程网络模块都具有无线接受和发送的能力，应用程序只需为协议栈注册应用端口、为操作系统添加任务、为协议栈准备好数据就可以通过协议栈发送数据，接收方通过消息处理函数接收来自发送方的数据。终端节点需要完成加入网络的工作，加入网络后就可以从串口接收 A/D 采样数据并通过协议栈将数据无线发送。路由器的工作比终端节点点多了一个数据转发功能，这可以由协议栈完成，用户应用程序不作处理。4.2 串口透传应用程序设计大多数单片机和系统都支持串口数据传输。因此，使用串口连接瓦斯含量信息检测模块或其他外设模块非常方便。另外，如果网关支持串口，可以方便的将Zigbee协议转换为其他协议

17、，利用已有的网络资源，避免重复投资。本课题根据协议栈提供的串口应用实例做了适合本系统的改动，设计了串口透传的应用层程序。使用该技术可以将所有具有串口功能的外设模块接入Zigbee网络，从而代替了有线连接。在透传系统中，所有的网络模块都具有串口的收发功能，只要上位机串口有数据输出，模块就把串口的数据以无线方式编码发送。当接收模块接收到发射模块发送的无线数据后，就会把解码后的数据按发送端的格式从串口输出，这样网络两端的上位机和下位机都通过串口收发数据而不用理会无线传输部分，这就是无线透传的工作。无线透传是一种使用UART串口的Zigbee网络应用，与其它应用的实现方法一样，UART串口透传应用需要

18、将程序以任务的规范，加入操作系统，有网络操作系统调度执行在做Zigbee项目设计时，所有的应用，都以任务的方式加载到操作系统，由操作系统来调度。用户只需要编写自己的任务，以适当的方式将任务加入 OSAL的任务表中就可以了。OSAL主要负责任务管理、消息管理、电源管理、定时器管理和存储器管理等。Zigbee中的操作系统对任务的管理是基于任务轮询方式的，在系统的任何位置只要我们实现了osalInitTasks就可以将我们系统中的所有任务放在操作系统中执行。void osalInitTasks( void ) uint8 taskID = 0； tasksEvents = (uint16 *)osa

19、l_mem_alloc( sizeof( uint16 ) * tasksCnt)； osal_memset( tasksEvents, 0, (sizeof( uint16 ) * tasksCnt)； macTaskInit( taskID+ )； nwk_init( taskID+ )； Hal_Init( taskID+ )； #if defined( MT_TASK ) MT_TaskInit( taskID+ )； #endif APS_Init( taskID+ )； ZDApp_Init( taskID+ )； SerialApp_Init( taskID )； 分别完成协议栈

20、各层的初始化任务。各层之间的信息交换通过消息命令的方式来完成，在应用层接受到各类消息后由相应的处理函数来处理。用户任务初始化函数SerialApp_Init( taskID )加载到最后表示优先级最低。4.3 网关应用程序设计Zigbee网络是局域网，外界要使用Zigbee网络的数据必须通过网关把 Zigbee网络协议转换为外界网络的的协议。现今，最广泛使用的网络是TCP/IP 网络。所以本项目设计了Zigbee转TCP/IP 网关将协调器接收到的数据，通过串口交给到网关。网关将这些数据转化以太网格式，发送到远端的监控室。网关设计需要使用TCP/IP协议栈，TCP/IP协议是一个四层的分层体系

21、结构。高层为传输控制协议(TCP，Transmission Control Protocol)，它负责聚集信息或把文件拆分成更小的包。这些包通过网络传送到接收端的TCP层，接收端的TCP层把包还原为原始文件。低层是网际互联协议(IP，Internet Protocol)，它处理每个包的地址部分，使这些包正确的到达目的地。TCP/IP使用客户端/服务器模式进行通信，TCP/IP通信是点对点的面向连接的协议，也即通信在网络中的一台主机与另一台主机之间进行，主机之间的数据传输可靠性由协议栈在保证。与TCP/IP协议相对的协议还有用户数据包协议(UDP)，它不是面向连接的，因此网络数据是否到达对端要有

22、用户程序考虑。还有一些协议是网络主机用来交换路由信息的，包括Internet控制信息协议(ICMP)，内部网关协议(IGP)，外部网关协议(EGP)，边界网关协议(BGP)等等。图 4.2 网关数据流图本课题的网关采用串口转接以太网的方式实现，将串口输入的数据转化为TCP/IP协议数据通过以太网输出，从以太网输入的数据包先解码取出有效载荷后由串口输出。开发协议栈使用LWIP1.3.2，操作系统使用 UCOS II 2.86，CPU 使用ARM S3C6410，网关使用 ARM11 开发板设计。五、系统调试及实验结果5.1 系统调试本方案测试是在实验室环境下搭建一个测试环境，主要测试采集前端的瓦

23、斯浓度测定功能、Zigbee 型网络的搭建功能以及瓦斯信息的无线发送功能。 首先，采集前端瓦斯浓度检测 本模块测试选择实验室用1%和5%的甲烷标准气样进行瓦斯浓度测定功能测定。将采集模块放在封闭的气室内，并持续向内通不同浓度的标准甲烷气样，最终测试的浓度信息会经过主控制芯片MSP430F169的处理直接通过串口传递给上位机，上位机通过串口调试助手显示接收的信息。需要注意的是，在进行试验之前，必须先将瓦斯传感器电阻调零，将电桥输出电压调为0。封闭气室最好也通气5分钟后再进行试验，保证气样将空气排尽。测试时，先向采集前端通1%的甲烷标准气样，过大约1分钟左右采集前端就能够检测到环境中的瓦斯浓度为1

24、%，并通过串口将该浓度值显示在PC机上。然后，再向采集前端通5%的甲烷标准气样，过大约12分钟采集前端就能够检测到环境中的瓦斯浓度为5%。在进行瓦斯浓度测定功能测试时，要时刻注意标准气样钢瓶上流量计的读数，保证气体流量在200ML/s，否则向采集前端通气时，钢瓶流出的甲烷气样的浓度会和标准值之间有误差。然后搭建Zigbee 星型网络：每个终端节点受网络特性的影响，最大检测距离不应超过100米，这里选择70米。星型网络的搭建最少需要1个协调器一个终端节点，这里选择1个协调器，1个路由器，1个终端节点。网络的连接状态可通过 Zigbee Packet Sniffer2006 来检测到。最后瓦斯信息

25、的无线发送功能：瓦斯浓度信息的采集发送端采用本文设计的瓦斯采集终端节点，发送网络采用前面测试的星型网络，接收到的数据通过 Zigbee网络转换到网关，网关将Zigbee网络的数据转换为TCP/IP 协议数据送往上位机，上位机上使用网络调试助手监控网关的数据。测试时，间隔不同的距离进行无线数据收发的测试。本课题使用 IAR EW MCS-51 软件设计了Zigbee无线网络应用程序，通过 Debug工具可以将编译好的程序下载到CC2430芯片中。在下载程序的时候，需要为不同的设备选择不同的工程。本课题的实验使用了协调器和终端节点两个工程，通过简单配置后将程序下载到设备中。其操作界面如下：图5.1

26、 IAR操作界面5.2 实验结果当系统的各个模块都调试成功后，就可以连接起来运行整个系统通过PC机监控系统运行。系统分为两个部分网关部分和采集部分，网关部分由网关电路板和协调器设备组成，采集部分由MSP430A/D采样模块和终端节点组成。以下是实验室搭建的测试环境下的各个功能测试结果：（1）采集前端瓦斯浓度检测，下表5.1为瓦斯浓度检测结果表5.1 瓦斯浓度检测结果（2）Zigbee星型网络的搭建，网络搭建成功后的Zigbee Packet Sniffer2006 工作界面如下图所示：图5.2 Zigbee网络星型搭建（3）瓦斯信息的无线发送功能本课题采用网关将Zigbee网络的数据转换为TC

27、P/IP协议数据送往上位机。因此，在上位机上使用网络调试助手监控网关的数据，即可查看Zigbee网络中终端节点送往协调器节点的数据。这种方式可以最大限度模拟真实环境下的系统构成。下表5.2为瓦斯信息无线发送的测试结果。 表5.2 无线发送测试结果 使用网关将Zigbee网络与以太网连接可以最大限度的利用已有网络资源，减少网络建设的重复投资。星型网络成功搭建后，完成瓦斯信息的顺利传输。六、总结与展望本论文对课题研究工作做了系统的总结，介绍了 Zigbee 无线传感器网络在瓦斯采集方面的应用，详细介绍了系统的软硬件设计包括 Zigbee 网络模块的设计和瓦斯采集模块的设计。对 Zigbee 协议栈

28、的工作流程和使用方法做了详细说明，对其中各环节的工作原理进行了深入的分析。设计了利用 Zigbee 网络进行串口透传应用解决了瓦斯瓦斯含量信息检测模块与无线网络连接的问题，并介绍了 Zigbee 网络与地面监控室以太网连接的方法，说明了网关的作用以及设计方法。 本论文主要工作和研究成果是： (1) 介绍了Zigbee无线网络在瓦斯采集系统中的应用方案。探索了使用无线网络解决现有安检系统布线难、维护难、有效性差等问题的方法。 (2) 研究了Zigbee无线网络技术。在分析协议栈的基础上，介绍了Zigbee网络建立、节点加入以及数据无线收发的方法。 (3) 设计了瓦斯瓦斯含量信息检测模块、Zigb

29、ee射频模块以及Zigbee底板，介绍瓦斯传感器信号放大电路设计、Zigbee天线设计以及核心芯片CC2430、MSP430F169配置电路设计的方法。本系统能够完成瓦斯含量信息的快速、准确采集以及瓦斯含量信息的无线传输。系统工作电压 3.3V，工作电流 110mA，反应速度 10 秒以内，采集频率 1 次/10 分钟。虽然在实验室测试环境下已经达到了预期的目标，但是在实际工程应用中，还有很多部分需要改进。例如硬件小型化的研究。本课题结果的实物比较大，如果能够完成系统的小型化那么该技术将会更有优势。在小型化方面比较好的技术是 LTCC 工艺，该技术可以实现系统的高可靠性能和稳定性同时做到小型化封装。另外，Zigbee网络在井下环境的实际工作系统中需进一步研究和完善。井下环境复杂，一些在实验阶段工作正常的实验，可能在井下长期工作时会出现各种其他问题，尤其是安检设备的可靠性要求必须严格，最大限度的保证设备的安全、稳定、可靠性能还需要付出极大努力。参 考 文 献1 陈黎.我国煤炭安全生产的法律思考：学位论文.北京：中国地质大学.2006 2 李文仲，段朝玉.Zigbee2006 无线网络与无线定位实战.北京航空航天大学出