基于无线传感器网络的粉尘浓度检测系统研究

发布时间：2017-05-09 10:03

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【摘要】：粉尘对人类的生产生活有着至关重要的影响,与粉尘有关的工作例如煤矿,铝粉厂,面粉厂等常常是在受限空间内进行,这类工作环境,特别是在粉尘浓度超标的情况下,严重威胁着作业人员的身体健康；另一方面,粉尘浓度的控制对工业生产也影响巨大。粉尘造成危害的重要原因多半是其浓度分布不均或超标造成的,因而采取措施准确测量粉尘浓度具有及其重要的意义。粉尘与空气属于气-固两相流范畴,对粉尘浓度在线准确的测量,需要更加稳定可靠的方法,这对粉尘浓度的测量系统提出了新的要求。本文在前人研究的基础上,提出了采用电容传感器测粉尘浓度的的原理,并结合无线传感器网络的优势,实现了一套基于无线传输模块CC2530 ZigBee协议的用于检测粉尘浓度的无线传感器网络方案,文中分析了有限元法在静电场模拟方面的优势,使用ANSYS软件对螺旋式电容传感器进行建模,并进行三维优化设计,仿真结果表明优化后的传感器能克服电容对流型分布敏感的问题；并结合无线传感器网络传输形式,搭建无线传感器网络粉尘浓度测量平台,该网络由一个协调器节点与若干个传感器终端节点一起,构成一个星型网络,为了准确达到对特定区域进行粉尘浓度检测的目的,研究了基于最小二乘法的多传感器节点的数据拟合算法。最后对实验数据进行了曲面拟合,以直观的图形反映出待测粉尘区域的粉尘浓度分布情况,以及各个采集点的粉尘浓度随时间的变化关系。实验结果得到了分布区域的粉尘浓度变化规律,证明了该套方案的可行型,并在实时性、准确性、以及检测规模上具有极高的优势。
【关键词】：粉尘浓度 电容法 Zigbee 浓度分布
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP274;TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-16
• 1.1 选题的背景和意义8-9
• 1.2 粉尘浓度检测系统的研究现状9-14
• 1.2.1 根据测量原理划分10-12
• 1.2.2 根据通信方式划分12-13
• 1.2.3 根据功能划分13-14
• 1.3 本文主要研究内容14-15
• 1.4 本章小结15-16
• 2 检测系统总体方案设计16-29
• 2.1 被测对象特性分析16-19
• 2.1.1 粉尘受力特性分析16-17
• 2.1.2 粉尘运动特性分析17-19
• 2.2 粉尘浓度测量方法研究19-23
• 2.2.1 常用粉尘浓度测量方法简介19-20
• 2.2.2 电容法测量粉尘浓度原理以及可行性分析20-23
• 2.3 无线传感器网络粉尘浓度检测系统构建方案23-28
• 2.3.1 无线传感器网络简介23-24
• 2.3.2 粉尘浓度检测系统总体结构设计24-25
• 2.3.3 无线传感器网络节点方案框图25-26
• 2.3.4 电容传感器设计方案26-27
• 2.3.5 多节点粉尘浓度处理算法27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 3 电容传感器模型建立及其有限元优化分析29-48
• 3.1 电容传感器存在问题分析及其设计准则29-30
• 3.2 电容法测粉尘浓度优化模型建立30-33
• 3.2.1 常见电容传感器模型30-32
• 3.2.2 螺旋极板电容传感器模型32
• 3.2.3 螺旋极板电容传感器数学模型及其优化参数32-33
• 3.3 电容传感器有限元优化设计33-40
• 3.3.1 静电场有限单元法分析34-36
• 3.3.2 电容传感器检测场有限单元法分析36-38
• 3.3.3 螺旋极板电容传感器三维优化设计38-40
• 3.4 电容传感器测量电路硬件设计40-47
• 3.4.1 调理电路设计要求41
• 3.4.2 常用测量电路41-44
• 3.4.3 四相差分电容测量电路44-47
• 3.5 本章小结47-48
• 4 多节点粉尘浓度处理算法研究48-52
• 4.1 数据处理算法研究意义48
• 4.2 最小二乘法48
• 4.3 粉尘浓度拟合算法48-51
• 4.3.1 单传感器节点时域拟合算法49-50
• 4.3.2 多传感器节点曲面拟合算法50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 5 粉尘浓度分布规律研究与实验分析52-62
• 5.1 粉尘浓度分布规律研究52-54
• 5.1.1 气相粉尘湍流流动模型52
• 5.1.2 离散相粉尘颗粒模型52-53
• 5.1.3 粉尘在水平方向上的运动53-54
• 5.2 粉尘浓度测试实验54-60
• 5.2.1 布阵测试56-59
• 5.2.2 不同节点数目测试59-60
• 5.3 实验结果分析60-61
• 5.4 本章小结61-62
• 6 总结与展望62-64
• 6.1 全文工作总结62-63
• 6.2 不足与展望63-64
• 参考文献64-67
• 攻读硕士学位期间发表的论文67-68
• 致谢68-70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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2 王自亮;;粉尘浓度传感器的研制和应用[J];工业安全与环保;2006年04期

3 何振江,杨冠玲,吴开华,黄佐华,韩鹏,余勇昌;激光烟气粉尘排放量监测系统的浓度测量问题研究[J];华南师范大学学报(自然科学版);2000年02期

4 赵立永;张全柱;黄成玉;;基于CAN总线的新型煤矿粉尘浓度检测系统的研究[J];中国安全生产科学技术;2012年03期

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6 聂百胜;李祥春;杨涛;胡维喜;郭建华;;工作面采煤期间PM2.5粉尘的分布规律[J];煤炭学报;2013年01期

7 徐静,吴元祥;未来无线通信新领域——传感器网络[J];中兴通讯技术;2004年05期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 李少帅;气/固两相流离散相浓度电容传感器的研究与设计[D];内蒙古科技大学;2012年

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本文编号：352264