基于ZigBee的矿用红外甲烷浓度监测系统设计

发布时间：2020-03-23 09:59

【摘要】：煤矿瓦斯事故的防范一直是我国安全生产监督管理工作的重中之重。目前我国煤矿安全监测系统大多采用有线网络的形式,存在布线困难、维护成本高、扩展性差等问题,且煤矿井下环境错综复杂,容易产生监测盲区。瓦斯气体的主要成分是甲烷,因此设计一种组网方便、灵活性好且安全稳定的煤矿甲烷浓度监测系统意义重大。本文通过对现有甲烷检测技术和短距离无线通信技术的分析研究,提出了一种基于Zig Bee无线通信技术的矿用红外光谱吸收型甲烷浓度监测系统的解决方案,分析了系统设计的主要功能和技术要求,对各Zig Bee节点及其外围电路的硬件进行了设计,通过软件编程与调试完成了系统功能。该系统由井下数据采集部分和井上监控中心共同组成,实现对矿井中甲烷浓度数据的采集和处理,最终传输至井上监控中心进行显示与操作。井下数据采集系统由终端、路由器和协调器三类Zig Bee节点组成,选取CC2530芯片作为处理器。终端节点的红外甲烷传感器负责检测矿井环境中的甲烷气体,将采集到的浓度电压信号传送给控制芯片,经过处理后的信号以Zig Bee无线通信的方式传输到路由器节点;路由器节点的主要作用是扩展传输距离,将数据转发给协调器,同时对收到的甲烷浓度信息进行阈值判断,若超过设定值系统将发出声光报警;协调器节点主要负责构建和维护Zig Bee无线网络,将所有终端信息打包,通过相应的串口发送至井上监控中心的上位机,方便工作人员查看与操作。井上监控中心通过上位机软件的开发实现,主要功能为实时显示各监测点的甲烷浓度、查看浓度变化曲线、设置报警阈值等。该系统经过调试实现了甲烷浓度数据的采集,对浓度低于2%的甲烷气体检测误差不超过0.1%,通过对各部分功能的测试分析,验证了系统具有较高的可行性。
【图文】：

持 2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee 协议，内部集成了业界标准的增强型 8051CPURF（Radio Frequency，射频）收发器、256KB 可编程闪存、8KB RAM、1 个 1位定时器、2 个 8 位定时器、2 个支持多种串行通信协议的 USART（UniversSynchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步串行接收/发送器）、8 个可配置分辨率的模数转换模块，以及 21 个可编程通用 I/O 引脚，具有丰富的硬件资源。CC2530 在休眠状态时电流为 0.3μA，最高发射功率是 4.5dBm工作电压在 2.5-3.3V 之间，具有低功耗的特点[44]。图 3-2 为 CC2530 芯片内部结构图，主要可分为三部分：CPU 及其内部存储相关模块，，外设、时钟和电源管理相关模块，无线信号收发相关模块[45]。

图 3-3 CC2530 最小系统电路Fig.3-3 The smallest system of CC2530（2）晶振电路CC2530 包含有两个不同频率的晶振电路，其中频率为 32MHz 的晶振电一个 32MHz 的石英振荡器 XTAL1 和两个 22pF 的负载电容（C221 和 C23成，主要功能是给处于正常工作模式的 CC2530 芯片提供外部时钟源；频 32.768KHz 的晶振电路是可选电路，由一个 32.768KHz 的振荡器 XTAL2 个 15pF 的负载电容（C321 和 C331）组成，负责为 CC2530 芯片提供精准频时钟源，主要用于要求非常低的睡眠电流消耗和精确唤醒时间的应用。电路图如图 3-4 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD712.55

【参考文献】

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本文编号：2596564