基于物联网的煤矿安全监测系统设计

发布时间：2017-05-31 22:22

  本文关键词：基于物联网的煤矿安全监测系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：煤炭在我国能源工业中,分别占一次能源生产和消费总量的76%和69%。但由于我国一般采用地下开采,其生产环境恶劣,瓦斯突出、煤尘污染等安全隐患时刻威胁着井下工作人员的安全。据统计,我国大型煤矿中高瓦斯矿井约占44.4%,约91.35%的矿井有煤尘爆炸危险,仅2012年全国瓦斯事故就有72起,死亡350人。因此对煤矿进行安全监测非常重要。 目前我国煤矿安全监测系统中检测瓦斯的方法大多使用热催化法,其方法是利用催化物使低浓度瓦斯气体在低温环境下持续氧化释放热量。此类设备在低浓度下使用效果尚佳,但是长期使用或者遇到高浓度瓦斯时,非常容易中毒,减短寿命,增大测量误差,每隔一段时间就必须进行校准。另外煤矿监测系统均为有线系统,所有的仪表都连接在总线上,但这种总线布线繁琐,成本高,覆盖范围有限,拓展能力差,不能灵活地随开采跟进,尤其在发生事故时,线缆会受到致命的破坏,不能为井上人员及时提供有效信息,严重威胁了工作人员的安全。 针对这些问题和目前市场需求,本设计在物联网的基础上设计了一套煤矿监测系统,实现了高精度测量煤矿各种安全信息,高保真的进行无线传输,可随时随地的通过互联网进行远程监控。本系统为了降低系统成本,缩短开发周期,并提高系统的通用性,采用模块化设计,将各部分做成单独的模块,使其不仅可以应用于煤矿,还可以在其它领域使用。 系统主要分为检测设备、数据采集终端和网络、以太网网关等几个部分。在检测设备中,采用红外光谱吸收法测量瓦斯浓度,以朗伯-比尔定律作为理论基础,具体实现方法在硬件方面采用单光源单光路双波长的差分吸收法,软件方面采用分段最小二乘法和温度补偿算法对浓度进行转换；数据传输方面采用RS-232串口与数据采集终端连接,核心控制器选用低功耗MSP430单片机,为了便于调试和设备通用,检测设备还设有通用模拟量接口、开关量接口和输出控制等,实现了低成本、低功耗、高稳定度、高精度和高灵敏度,实验测试表明测量瓦斯浓度的绝对误差小于0.1%,响应时间小于5s,稳定时间小于15s。数据采集终端模块和网络部分使用Zigbee技术,拓扑结构选为簇-树型网络,采用CC2530作为平台,加以RS-232串口,保证了设备的通用性,完美实现了与其它模块对接。以太网网关采用串口转以太网技术,为了降低成本和开发难度,选用LM3S9B96作为硬件平台,软件部分在TI提供的驱动库基础上开发,大大缩减了开发周期,实现了串口协议与TCP/IP协议的转换,接入网络后,用户可以通过远程计算机对煤矿安全信息随时查看。 目前此类系统应用于煤矿的实例不多,作者根据国家规定和市场需求,本着低成本、高精度、高稳定性的原则,设计开发了基于物联网的煤矿安全监测系统,目前已经制出样机,实验室测试阶段即将结束,具有良好的市场前景。
【关键词】：物联网 监控系统 红外吸收 瓦斯 Zigbee 以太网 温度补偿
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TD76
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 目录8-11
• 图索引11-14
• 表索引14-15
• 第1章 绪论15-21
• 1.1 课题背景15-16
• 1.2 相关技术介绍16-18
• 1.2.1 煤矿瓦斯检测技术介绍16-17
• 1.2.2 物联网技术介绍17-18
• 1.3 本论文的主要工作和各章节安排18-19
• 1.4 本章小结19-21
• 第2章 系统总体方案设计21-25
• 2.1 设计目标21
• 2.2 设计要求21-23
• 2.2.1 检测设备技术指标22
• 2.2.2 网络设备技术指标22
• 2.2.3 以太网网关技术指标22-23
• 2.3 系统总体结构23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 检测设备设计25-57
• 3.1 检测设备总体设计25-26
• 3.2 瓦斯浓度检测技术26-32
• 3.2.1 瓦斯浓度检测技术的对比26-27
• 3.2.2 红外瓦斯检测技术原理27-29
• 3.2.3 测量方法29-30
• 3.2.4 红外瓦斯传感器结构30-32
• 3.3 检测设备硬件设计32-44
• 3.3.1 主控部分电路32-35
• 3.3.2 输入部分电路35-41
• 3.3.3 输出部分电路41-44
• 3.4 检测设备软件设计44-55
• 3.4.1 主程序44-45
• 3.4.2 初始化程序45-49
• 3.4.3 ADC转换程序49
• 3.4.4 串口通讯程序49-51
• 3.4.5 瓦斯检测算法51-55
• 3.5 本章小结55-57
• 第4章 数据采集终端和网络设计57-67
• 4.1 数据采集终端总体设计57
• 4.2 数据采集终端硬件设计57-61
• 4.2.1 CC2530芯片介绍57-58
• 4.2.2 CC2530最小系统电路58-59
• 4.2.3 射频电路59
• 4.2.4 地址设置电路59-60
• 4.2.5 串口通信电路60
• 4.2.6 调试接口电路60-61
• 4.3 数据采集终端软件设计61-62
• 4.4 网络设计62-65
• 4.5 本章小结65-67
• 第5章 以太网网关设计67-77
• 5.1 以太网网关总体设计67
• 5.2 串口转以太网技术介绍67-68
• 5.3 以太网网关硬件设计68-71
• 5.3.1 LM3S9B96芯片介绍68
• 5.3.2 LM3S9B96最小系统电路68-70
• 5.3.3 以太网接口电路70
• 5.3.4 RS-232接口电路70-71
• 5.4 以太网网关软件设计71-76
• 5.4.1 以太网数据帧格式71-72
• 5.4.2 以太网网关主程序72
• 5.4.3 LwIP协议栈移植72-74
• 5.4.4 以太网数据收发程序74-75
• 5.4.5 串口数据收发程序75-76
• 5.5 本章小结76-77
• 第6章 结果分析与展望77-85
• 6.1 结果分析77-82
• 6.2 设计总结82-83
• 6.3 展望83-85
• 参考文献85-87
• 致谢87-89
• 攻读硕士学位期间发表的论文89

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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本文编号：410837