有毒气体无线监测网络设计

1、有毒气体无线监测网络设计 合肥工业大学 硕士学位论文 有毒气体无线监测网络设计 姓名：李勋涛 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：余晓芬 20100401 有毒气体无线监测网络设计 摘要 由于现代科技进步和工业的发展，工业中产生的各种废气以及室内装修散 发的有毒气体对人们的生活造成了巨大危害。市面上存在很多的空气净化设 备，但是这些空气净化装置虽然能净化有毒有害气体，但并不了解环境中有毒 有害气体的信息。因此，如果在净化设备中集成有毒气体监测网络，对有毒有 害气体进行定性定量检测，及时了解环境中的有毒有害气体的信息，对于实现 空气净化设备的智能化控制 如：采用何种净化方法?

2、何时开启和关闭净化设 备?等 具有十分重要的意义，并对了解环境中有毒有害气体含量的变化趋 势，为工业环境、医院环境和人们的生活环境等环境监测提供十分重要的数据 和依据。 对于有毒气体的测量，常用方法主要包括分析化学方法、半导体气敏式 探测方法、接触燃烧式探测方法、光谱分析方法、电化学方法等。其中电化学 测量方法响应速度快、能够实现在线检测、对非被测气体的抗干扰性好、制作 成的探头体积小方便集成，所以本论文研究的系统采用电化学测量方法。市场 上有售的气体检测设备，只是对单一气体检测研制的，而且它们通过有线传输 数据。如果需要检测多种气体，将这些气体检测设备集成，体积会十分庞大。 而且对需要布置大

3、量监测点的监测环境，有线传输数据布线十分麻烦，成本 高。因此，本学位论文研制了一个能与空气净化设备集成、智能化、体积小的 有毒气体无线监测网络，具体的研究内容如下： 1气体传感器集成化设计 对CO、甲醛、苯等气体传感器进行了集成化设计，根据传感器输出信号 的极性、大小进行分类，对同类别的传感器输出信号的信号处理电路进行集成 化设计。 2无线网络通讯系统设计 对无线通讯节点与气体传感器进行集成化设计，实现对传感器数据传输 及控制命令的发送的无线节点通讯；建立计算机中心控制平台，实现对监测 点、传感器的选择以及测量信号的自动处理。 3系统特性标定测试实验 研制了有毒气体无线监测网络特性测试的实验系

4、统，完成了监测系统传感 特性标定和精度比对实验、通讯系统的通讯距离测试实验及环境湿度对监测系 统传感特性影响的研究实验。 关键字： 有毒气体检测；无线传感器网络：电化学传感器；集成化设计 rn 一 ? 一 一 10xlC monitor based0n gas systemdesign wirelesssensornetwork ABSTRACT Withthe ofmodern and of improvementtechnologydevelopmentindustry，a ofemissions in aswellastoxic frominteriordec- variety prod

5、uced industry gases orationdoharmto lots of airareinsh- peoplelivesAlthough equipmentspurifing can thetoxic donot whetherthereare ops，whichpurify gases，theyrecognize waste or notin the networkoftoxic environmentTherefore，if gases monitoring is inthe it and gasesintegratedpurificationequipment，detect

6、ingqualitatively abreastoftoxic keeping andharmfulintheenvironmentofinformationin gases for time，air therealizationof as： purificationequipment control such intelligent what methodused?whenisthe and purification purificationequipmentopened of the tren closed?，etc isgreatsignificanceWhatSmore，underst

7、anding changing d oftoxic in essentialdatafor gasesenvironment，for providing intheindustrial environmentand monitoring environment，the hospital peopleS environment living For thetoxic are as detecting gases，there manyways，suchanalytical methodssemiconductordetection combustion chemistry gas-type met

8、hods，contact detection methodsand SOonElectroc type methods，spectroscopy，electrochemical ?chemical measurementisoffast canmeasurethetoxic on response，which gases lineandresist interferenceofnon?measured whichthe gasstrongly，by probes madeare tobe with studiedthis easy smallTherefore，the integrated s

9、ystem by theelectrochemical paperadopts measurementThedetection on gas equipments marketare a transmitdata de-velopedby singlegasdetection，and they through thecableIfneedtotesta of detection you varietygases，thegas equipments will be a numberof then，if integratedhu-geAnd large monitoringpointsrequir

10、ed ofthe datatransmissionis layout environment，wired monitoring very wiring troublesomeand dissertation atoxic costlySo，This developedgasmonitoring network withair sizeand integrated purification researchesareasfollows： wirelessSpecific sensor 1Gas integrateddesign The andother sensorswere CO，formal

11、dehyde，benzenegas sensorswereclassified to andthesizesof gas accordingpolarity outputsignals， andThesame of circuit typeoutputsignalsprocessesintegrateddesign network 2Wireless communication system The aboutwireless integrateddesign communicationnodesand sensorsis gas totransmissensordataand control

12、commandssentwirelessnode by toestablish centerstorealize nControllingplatform computer the monitoringpoi automatic nts，sensorselection，and ofmeasured processing signals Calibration 3System TestingLaboratory ameasurementofwireless Developed system networkforcharact monitoring eristic of testingpoison

13、ous thedemarcationofsensor gasFinished characteristic， the of communicationdistancetestof comparisonaccuracy，and ontheinfluencetothesensorcharacteristicof fromtheambient monitoringsystem humidity keywords：toxic sensor gasmonitor；wireless network；Electrochemicalsensor；inte grated design 插图清单 图2一l系统结构

14、框图5 图22气体传感器8 图24气体传感器电路9 图25TLC27L7C管脚图10 图26TLC27L7C符号10 图2703传感器工作电路11 图28MC4303引脚图1l 1 图2-9氧传感器结构图1 图210LM33650引脚图12 1 图21LM334引脚图一13 图212电源供电电路：13 5 图213气体传感器信号处理电路。l 图214TA75902F管脚图16 图215CD4066引脚图16 图216辅助电路设计17 图217传感器电源控制电路17 图31zigbee网络拓扑图19 图32无线通讯节点21 图33 Zigbee无线通讯节点结构图2l 图3-4CC2420芯片内部

15、结构示意图23 图35时钟源电路错误!未定义书签。 图36串行Flash外部电路24 图37串口通信电路24 图3-8JTAG接口电路25 图3-9CC2420外围电路25 图3一10天线电路27 图311扩展接口27 表32节点外部接口说明表_：27 图312传感器电路与无线通讯节点集成电路28 图313终端监测点程序流程图30 图314中心控制平台流程图3l 图315网络路由器程序流程图31 图316CSMACA算法流程图32 图317确认帧的格式32 图3一l8系统单路监测点程序流程图-34 图319软件界面图35 图41气室36 图42实验示意图37 图43数据对比去曲线图37 图44

16、CO气体浓度测试结果38 图45 CO测试结果曲线拟合38 图46通讯距离测试图40 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金壁王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签氯亏助磅签字日期2州眸驴月可日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目巴王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交

17、论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权_金 坦王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文者签名：季勋路 导师签名： 抖蝴驯。年钐月节日 签字醐：刎。年伊月矽日 学位论文作者毕业后去向： T作单位： ： 通讯地址： ： 致 谢 本学位论文是在余晓芬教授的悉心指导和亲切关怀下完成的。导师最大 限度地提供了良好的学习和科研条件。从课程学习到项目论证、研究、实验和 论文的撰写过程中，余老师始终给予了我悉心地指导，倾注了大量的心血，使 得课题的研究取得了很好的成果，

18、论文也得以顺利完成，我的专业技术和科研 能力也得到提高。余老师渊博的学术知识、严谨的治学态度和诲人不倦的敬业 精神，使我受益匪浅。在此，向尊敬的余老师表示衷心的感谢和最诚挚的敬 意。感谢胡佳文、程伶俐、余卿、马文平、李志强、张埏、陈香兰等同门师兄 弟，在我的学习、科研和生活中，他 她 们给予了很多启发和帮助，并使我研 究生期间的生活增添了很多快乐。感谢我的家人特别是我的父母对我坚持不懈 的支持，感谢一切曾经鼓励、支持和帮助过我的人，衷心的谢谢大家! 李勋涛 2010年4月 第一章绪论 11课题的研究背景及意义 仅以人类自身来说，其日常生活和生产活动都与周围的大气环境密切相 关，大气环境品质的变

19、化对人类有极大的影响。随着工业规模逐渐扩大，产品 的种类不断增多，气体原料和生产过程中的产生的气体种类和数量不断增多， 尤其是石油、化工、煤炭和汽车等工业发展，致使大气污染日益严重。空气中 含有有毒有害气体，会对人类的身体健康带来巨大的威胁。可燃气体的泄漏会 的甲醛、苯的有毒气体等，这些都会对人类的身体健康和财产安全带来威胁， J。 气体污染己逐渐影响到人类的生存【2 对于这些有毒气体的危害，人类研制出了基于各种净化方法的空气净化设 备。近年来，美国和日本的空气净化器市场逐渐普及，在我国台湾地区空气净 化器几乎成为办公大楼及居家环境中的必备品。我国国内空气净化器市场也正 逐渐活跃。空气净化装置

20、根据用途可以将其分为工业空气净化装置、医用空气 净化装置和民用室内空气净化装置三种类型；根据其性能可分为除尘式空气净 化器、除去有害气体式空气净化器、灭菌式空气净化器Il】。但是这些空气净化 装置虽然能净化有毒有害气体，但并不了解环境中有毒有害气体的信息。因 此，对它们进行定性定量检测，及时了解环境中的有毒有害气体的信息，对于 实现空气净化设备的更加智能化 如：采用何种净化方法?何时开启和关闭净 化设备?等 具有十分重要的意义，并对了解环境中有毒有害气体含量的变化 趋势，为工业环境、医院环境和人们的生活环境等环境监测提供十分重要的数 据和依据。 人类早就开始气体检测和控制方法的研究。从30年代

21、起，国外就开始了 研究开发气体传感器，主要用于厂矿和家庭的煤气测试、液化石油气、天然气 以及瓦斯等有害气体的检测和报警，并取得很大的成绩。进入80年代以来， 随着科学技术的发展，出现了各种检测技术和仪器。现在常用的测量手段和仪 器，主要包括分析化学方法、半导体气敏式探测方法、接触燃烧式探测方法、 光谱分析方法、电化学方法等方法。 1分析化学方法是通过在测量现场采集样气，带回实验室进行化学分析 得到结果。这种检测方法周期比较长，无法实现在线检测。 2半导体气敏式探测方法是将由金属氧化物或金属半导体氧化物材料做 成的阻性元件，放入到被测气体中，与气体相互作用产生表面吸附或反应，引 起阻性元件的电导

22、率或表面电位变化来测量气体浓度。这种检测方法受材料的 影响大，对非被测气体的抗干扰性不高，有的甚至需要高温条件。 3接触燃烧式探测方法是将由气敏材料做成的探头如 Pt电热丝等 放入到 被测气体中，在通电状态下，使被测气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃 烧，从而使探头的电阻值发生变化，通过测量探头电阻值变化来测量气体浓 度。这种检测方法局限性大，对不能燃烧的气体不能测量。 4光谱分析方法是利用不同气体对光谱具有不同的光学吸收特性来检测 气体成分和浓度。这种检测方法需要专门的光谱仪，设备昂贵，操作复杂，不 便携带，而且采样分析速度慢，无法实现在线监测。 5电化学方法是将由电化学原理制作的探头放入

23、到被测气体中，被测气 体和探头中的化学物质发生化学反应，通过测量化学反应产生的电流来测量气 体浓度。这种检测方法响应速度快、对非被测气体的抗干扰性好、制作成的探 头体积小。 上述这些测量方法制作的气体检测设备在当前生活中都得到广泛的应 用，但是本学位论文的监测系统需要能够实现在线检测，响应速度要快、体积 小，能够检测环境中的不同气体。经过对上述测量方法的分析，最终选择了电 化学测量方法。但是电化学方法制作的探头只能检测单一气体，因为需要同时 检测多种气体，所以我们必须对多种电化学气体传感器进行集成化设计。 对于大环境的气体监测，必须在不同的地点布置监测点，组成一个监测网 络。如果采用有线传输数

24、据，成本比较高而且布线十分的麻烦，有些地方有线 布监测点可能很难做到。针对以上这些不足和无线传感器网络的自身特点，本 论文需要设计一个无线监测网络。 12环境监测网络的研究现状 随着社会的进步和人们对环境问题及健康问题的日益重视，大气品质状况 受到越来越多的关注，政府和社会对气体环境监测的投入也越来越大。 早期的气体环境监测主要以化学分析为主，对监测环境设立监测点进行定 时、间断的测量分析。这种监测方法需要检测人员现场操作，无法实现在线检 测，而且对有害气体浓度较高的环境进行监测时，对测量人员的危害很大。 随着科技的发展，气体监测技术得到进一步发展，出现了各种能够实时、 连续的检测设备。气体污

25、染的增多，需要监测环境的范围的扩大，单个监测点 已很难覆盖这些监测环境并实时的监测被测环境，于是出现了初步的环境监测 网络。它们通过有线制传输数据，将各个监测点的数据传送到中心控制平台， 实现在线监测。但这类监测方式对于监测环境复杂、监测点多、监测点可能需 要变动等场合，有线监测存在十分明显的缺点： 1环境复杂、监测点多，布线十分复杂，一些环境有线布线可能无法实 现，大大增大了环境信息采集的难度。 2由于环境改变，需要改变监测点位置时，会大大增加成本。 2 随着无线通讯技术的兴起，对于一些监测范围大、环境复杂等测量场 合，出现了通过各种无线通讯技术组成的环境监测设备【3】。这些监测设备主要 基

26、于GSM短消息、GPRS、红外、蓝牙等通讯技术。这些环境监测设备虽然 克服了有线传输的缺点，实现无线传输数据，但是它们都存在各自的不足。基 于GSM短消息、GPRS的监测设备，它们的无线传输是利用移动的基站实现 的，对于没有基站的地方，无法实现无线传输，而且这些通讯方式，都需要收 数据流量费等，成本比较高。基于红外的监测设备，它们的通讯距离比较短， 而且无法实现多点通讯，应用场合比较有限。基于蓝牙的监测设备，虽然可以 实现多点通讯，但无法自组织网络，所以监测范围受到很大限制。 对于上述设备的不足，如何实现经济、智能、大范围的布置监测点，实 现环境监测的网络化，成为人们研究的热点。基于zigbe

27、e的无线通讯技术的 出现，使这些难点的解决成为可能。本学位论文就是采用zigbee无线通讯技 术对组建无线环境监测网络进行研究。 13论文内容概述 本课题的目的是研制了一个能与空气净化设备集成、智能化、体积小的 有毒气体无线监测网络。采用多类电化学气体传感器进行信号采集，由无线网 络通讯系统进行数据传输，由计算机控制平台进行数据处理和控制各个监测 点。课题解决的关键问题主要集中在以下几个方面： 1气体传感器集成化设计 对CO、甲醛、苯等气体传感器进行了集成化设计，根据传感器输出信号 的极性、大小进行分类，对同类别的传感器输出信号的信号处理电路进行集成 化设计。 2无线网络通讯系统设计 对无线通

28、讯节点与气体传感器进行集成化设计，实现对传感器数据传输 及控制命令的发送的无线节点通讯；建立计算机中心控制平台，实现对监测 点、传感器的选择以及测量信号的自动处理。 3系统特性标定测试实验 研制了有毒气体无线监测网络特性测试的实验系统，完成了监测系统传 感特性标定和精度比对实验、通讯系统的通讯距离测试实验及环境湿度对监测 系统传感特性影响的研究实验。 论文内容主要包括以下几个部分： 第一章：主要阐述研究背景及课题的提出。 第二章：详细介绍了系统硬件电路设计思想、气体传感器工作电路设计 及传感器信号调理电路集成设计等。 3 第三章：详细阐述了无线网络通讯系统设计，包括无限节点与传感器的 集成、无

29、线节点的通讯实现、测量信号的自动处理等。 第四章：主要阐述了系统特性测试实验，包括实验系统的建立、系统性 能标定实验和特性测试实验等。 第五章：对本文进行了总结，并提出可以进一步进行的研究工作。 4 第二章气体传感器电路集成化设计 21系统整体设计思想 有毒气体无线监测网络主要由能实现对CO、甲醛、02、03、苯等气体检 测的监测节点和能接收各监测点数据、发送监控命令的中心控制平台组成。监 测节点是系统的重要组成部分，它包括气体传感器模块、传感器工作电路、信 号处理电路和无线模块。系统结构框图如图21所示。 图2-1系统结构框图 其工作原理是：中心控制平台初始化，并构建一个无线网络，各个监测点

30、 加入这个无线网络以后，由中心控制平台发送监测指令，监测点收到指令后， 气体传感器开始采集气体浓度信息，传感器输出信号经信号调理电路处理以 后，将数据送入对应的无线模块，无线模块将数据发送给中心控制平台，由中 心控制平台的PC机对接收的数据进行处理，并实时显示各种气体的浓度值。 由上图可以看出，系统结构主要由气体传感器工作电路、信号调理电路、 无线网络通讯系统及计算机中心控制平台等组成。 1气体传感器工作电路是使各路传感器能够正常工作，并将传感器输出的 电流信号转换成电压信号。 2信号调理电路是根据传感器输出信号的极性、大小进行分类，对同类别 的传感器输出信号进行放大处理，为进入单片机做准备。

31、 3无线网络通讯系统是实现监测点到中心控制平台的数据无线传输。 5 4计算机中心控制平台是实现对监测点的智能控制以及测量信号的自动处 理。 22气体传感器电路设计 221传感器的选择 气体传感器是一种将气体的种类、浓度等信息转换成可以被识别的信息， 如电量信息等。它是对气体进行定性、定量检测的重要部分。目前常用的气体 传感器包括电化学气体传感器、半导体气体传感器、接触燃烧式气体传感器、 热导式气体传感器、红外式气体传感器【I5】等。 1半导体气体传感器 将由金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的半导体元件，放入到被 测气体中，与气体相互作用产生表面吸附或反应，引起阻性元件的特性变化来 测量气体

32、浓度。自20世纪70年代问世以来，半导体气体传感器得到了广泛的 应用，根据其气敏特性可分为电阻式和非电阻式两种【4】。 会随着气体浓度不同而发生变化。它具有灵敏度高、操作方便、体积小、成本 低廉、响应时间和恢复时间短等优点，但在实际的应用中存在稳定性和气体抗 干扰能力差、工作温度高、使用寿命短等缺点。随着科技的发展，人们又研究 开发了一批以新型材料制作的电阻式半导体气体传感器，这些材料包括单一金 属氧化物材料、复合金属氧化物材料以及混合金属氧化物材料。这些新型材料 的研究和开发，大大提高了气体传感器的特性和应用范围【15l。 非电阻式半导体气体传感器是利用一些物理效益与器件特性来检测气体。 如

33、肖特二极管的伏安特性和半导体场效应管阈值电压变化特性，利用这两种特 性制作的气体传感器，其电流或电压随着气体含量而变化。这类传感器主要用 于检测可燃性气体。 2电化学气体传感器 电化学气体传感器是利用化学原理制作的探头放入到被测气体中，被测 气体和探头中的化学物质发生化学反应，通过测量化学反应产生的电流来测量 气体浓度。它主要可以分为原电池型气体传感器和恒电位式气体传感器。电化 学传感器响应速度快、对非被测气体的抗干扰性好、制作成的探头体积小、灵 敏度高¨¨。 3接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，其工作 原理是将由气敏材料做成的

34、探头女fl Pt电热丝等 放入到被测气体中，在通电状 态下，使被测气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧，从而使探头的电阻 6 值发生变化，通过测量探头电阻值变化来测量气体浓度【41。这种传感器的局限 性大，对不能燃烧的气体不能测量，普遍适用于石油化工厂、造船厂、矿井隧 道和浴室厨房的可燃性气体的监测和报警【17J。 4热导式气体传感器 热导式气体传感器是利用传感器温度随气体浓度变化而变化来检测气体 浓度。这类传感器检测范围大、装置简单、价格便宜，但其检测的灵敏度低、 检测误差大、温度漂移大等缺点限制了这类传感器的广泛应用【l引。 5红外式气体传感器 红外气体传感器12】是利用不同气体对红外光

35、谱的吸收特性不一样，来检测 气体及其浓度。这类传感器的检测精度最高，它具有高抗振能力和抗污染能 力，灵敏度高、误报率低。但这种传感器的成本很高，装置也很复杂，操作过 程历时长。操作人员需要经过专门培训，只能用于离线分析，不能在线检测。 在整个系统中，传感器是采集气体种类及浓度信息的主要器件，是整个系 统的核心之一，它的选择直接决定了整个系统的识别能力、识别范围、使用寿 命等。在我们的系统中，需要多种不同的气体传感器，选择合适的传感器组合 对提高整个系统的性能起到至关重要的作用。因此，系统选择传感器需要考虑 以下几个方面： 1根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。对于气体的测量，存在很 多种原

36、理的传感器进行选择，所以我们必须根据测量对象和环境，选择采用何 种原理的传感器。 2灵敏度的选择。在使用传感器的测量中，传感器的灵敏度决定了传感器 能识别测量对象的最小变化量。 3传感器的抗干扰能力。传感器的抗干扰能力决定了传感器的稳定性和输 出信号的可靠性，对于系统的稳定十分重要，如果传感器的抗干扰能力不强， 引入噪声比较大，可能是信号淹没或者信号的误差比较大。 4传感器的价格和体积。在系统设计中，成本是必须考虑的问题，所以在 选择传感器的时候，也需要考虑这一点。由于本学位论文各监测点采用集成化 设计，传感器的体积影响到监测点的体积，我们也必须考虑。 5量程范围。传感器的线性范围越宽，则其量程越大。对于不同的测量环 境需要不同的量程范围，选择适合自身系统的量程范围，是系统设计必须考虑 的问题