基于无线传感器网络的井下甲烷浓度检测系统设计

【摘要】：我国煤炭生产中,生产安全总是与矿工的安危息息相关,每每矿井瓦斯爆炸都牵动人心,令人心惊胆战。就我国煤矿而言,“瓦斯”这一术语词单指甲烷(CH4),它来源于英文单词“Gas”。甲烷的浓度是影响矿井安全的一个重要因素,通过检测甲烷的浓度降低事故的发生率也是最常见的方法。目前我国煤矿甲烷监控普遍有两种,一是由专业人员携带便携式瓦斯检测仪定时定点去检测,这样不全面且无法形成网络,有一定的弊端；二是采用工业总线作为基础,这些线路较为复杂,必须由专业人士搭建并维修,并且搭建线路困难、不灵活、且容易被阻断或有盲点。相对现有煤矿甲烷检测技术,本文设计一种基于无线传感器网络的井下甲烷浓度检测系统。无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)具有结构简单、效率高、价格低廉、安全可靠等优势。本文设计了基于无线传感器网络的井下甲烷浓度检测系统,本体系集检测甲烷浓度,数据无线通讯,浓度超限报警,显示浓度数据实时变化,存储历史数据等功能为一体,可在地面上直接监测到井下甲烷浓度,有效的实现了井下甲烷浓度的及时检测并实时监控井下安全。本文选用金属氧化物半导体传感器检测甲烷浓度,纯净甲烷为实验室自行制取,选择MATLAB软件对传感器实施物理标定,使用TI公司生产的CC2530做微处理器,使用ZigBee协议栈组网通信,利用LABView软件,策画友好型人机交互界面。成功搭建系统后,通过多次实验测试得出,节点能实时准确的采集甲烷浓度数据,甲烷气体浓度检测的灵敏度为8.29,系统能够快速组网传输数据,上位机软件可以准确的监测井下甲烷浓度实时变化,系统的误差在4%以内。 【关键词】：无线传感器网络 甲烷浓度检测 LABView软件
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712;TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-11
• 1.1 课题研究背景8
• 1.2 国内外研究现状8-9
• 1.3 课题的意义9
• 1.4 论文的主要工作及组织结构9-11
• 1.4.1 论文的主要工作10
• 1.4.2 论文的组织结构10-11
• 第2章 基于ZigBee的无线传感器网络技术11-20
• 2.1 无线传感器网络技术介绍11-14
• 2.1.1 无线传感器网络发展历史12
• 2.1.2 无线传感器网络特点12-14
• 2.2 ZigBee技术介绍14-19
• 2.2.1 ZigBee发展历程14-15
• 2.2.2 ZigBee技术特点15-16
• 2.2.3 ZigBee网络设备类型16-17
• 2.2.4 ZigBee拓扑结构17-19
• 2.3 本章小结19-20
• 第3章 系统硬件设计20-29
• 3.1 系统整体设计方案20
• 3.2 传感器设计20-23
• 3.2.1 传感器介绍20-22
• 3.2.2 传感器工作原理22
• 3.2.3 传感器电路设计22-23
• 3.2.4 传感器电路PCB板设计23
• 3.3 终端节点设计23-27
• 3.3.1 终端节点组成23-24
• 3.3.2 CC2530模块24-27
• 3.4 协调器节点设计27
• 3.5 本章小结27-29
• 第4章 系统软件设计29-41
• 4.1 下位机软件设计29-33
• 4.1.1 软件开发工具介绍29-30
• 4.1.2 Z-stack协议栈30-31
• 4.1.3 无线组网与通讯31-33
• 4.2 上位机软件设计33-40
• 4.2.1 LABView上位机软件介绍33-34
• 4.2.2 系统功能及流程设计34-36
• 4.2.3 LABView上位机主界面设计36-37
• 4.2.4 LABView上位机主程序设计37-40
• 4.3 本章小结40-41
• 第5章 系统测试与分析41-52
• 5.1 无线组网测试41-42
• 5.2 传感器标定实验42-48
• 5.2.1 物理模型的建立42-43
• 5.2.2 传感器标定过程43-48
• 5.3 系统整体功能测试48-51
• 5.3.1 测试条件与步骤48-49
• 5.3.2 测试结果分析49-51
• 5.4 本章小结51-52
• 第6章 结论52-53
• 参考文献53-55
• 在学研究成果55-56
• 致谢56

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