现代检测理论与技术课程设计

重庆大学研究生课程报告书重庆大学研究生课程报告书 基于基于 ZigbeeZigbee 无线网络的瓦斯浓度检测系统无线网络的瓦斯浓度检测系统 课程名称：现代检测理论与技术 姓名： 学号 学院： 专业：控制工程 1 一、研究背景和目的一、研究背景和目的 1.11.1 研究背景和目的研究背景和目的 近年来，煤矿事故频频发生，煤矿工人的安全问题时时牵拉着人们的神经。 煤碳是国家经济发展的重要能源，所以安全生产、加强煤矿的安全建设已经越来 越紧急和迫切。 煤矿事故的元凶主要是瓦斯，因瓦斯事故每年都给国家和人民带 来巨大损失。 煤矿瓦斯治理是煤矿安全生产治理的核心，如何有效控制瓦斯事故 是解决煤矿安全问题的关键。据不完全统计，在 1981 至 2001 年期间，全国煤 矿事故总计死亡约 12.6 万人，其中重特大瓦斯事故死亡人数占 72.3%，平均每 年死亡 1579 人。 2005 年， 煤矿瓦斯事故发生 405 起， 死亡 2157 人； 2006 年 瓦斯事故发生 327 起，死亡 1319 人。仅 2005 年 12 月 7 日河北省唐山市恒 源实业有限公司的瓦斯煤尘爆炸事故就造成了 108 人死亡，29 人受伤的严重后 果，直接经济损失 4870.67 万元。在这些残酷的数字面前，人们清醒得认识到， 若要保障人民的生命安全和国家的经济正常发展，必须加强煤矿的安全生产，加 强瓦斯含量的检测力度，努力做到防患于未然，才能将损失降低到最小。 由于煤矿自然环境复杂，矿井开采条件多变，而且存在着火灾、水灾等自然 灾害，加上煤矿作业空间十分狭小，照明条件差等因素，目前常用的煤矿安监系 统仍使用有线方式，即采用光缆、电力线缆或信号线缆等，有线方式存在以下缺 陷： (1)布线繁琐，安装维护成本大。监测系统所需的大量光缆、电缆价格不菲， 此外在复杂的地下环境布设线路同样需要消耗大量的人力物力。 (2)覆盖范围有限。由于地形环境复杂多变，矿井中存在着大量难以布线的 区域， 有线监控系统很难遍布矿井的各个地区，无法实现对整个矿井的全方位监 测，为安全生产留下隐患。 (3)线路依赖性强。有线网络的自我修复能力较差，局部线路遭到破坏很可 能造成整个监控系统的瘫痪。特别是发生爆炸事件时，线缆往往会受到致命的破 坏，不能为搜救工作及事态检测提供信息。现阶段，随着各地矿井开采深度的增 加，已有的安检系统难以扩展网络、灵活性不高已成为制约安全检测的瓶颈。这 使得网络数据的可靠性、有效性和实时性得不到保证，难以确保重要数据及时传 输。因此，利用无线网络构建网络简单、扩展性强的特点解决煤矿安检系统对实 时性、可扩展性和低成本的需求已经非常迫切。 1.21.2 瓦斯含量检测技术及瓦斯含量检测技术及 ZigbeeZigbee 发展现状发展现状 2 目前，瓦斯检测采用的是瓦斯巡回检查，即派专职人员以巡检的形式，定期 采集指定地点的瓦斯信息。但是该方式存在以下缺点： (1)人工获取数据、手工记录，无法做到实时检测。 (2)瓦检员人身安全难以保证。 (3)历史数据查询麻烦、不能根据历史记录直接进行分析。 所以设计更合理、更高效的瓦斯采集方案摆在了人们的面前。 Zigbee 无线网络是无线网络的一个成员， 主要用于无线传感器网络的建立。 无线传感器网络是由分布在给定区域内的众多无线传感器节点构成的网络。 每一 个传感器节点都有一种或多种传感器用来获取信息，并具有一定的计算能力。各 节点之间通过网络协议实现信息的交流、汇集和处理，从而实现对局部区域内目 标的探测和定位。随着通信技术、嵌入式技术和传感器技术的飞速发展，具有感 知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。 国际上比较有代表性和影响力的无线传感器网络实用项目有： 遥控战场瓦斯 监测系统、智能尘埃项目、野生动植物行为习性监控网络等。目前，英特尔公司 与加州大学伯克利分校正领导者“微尘”技术的研究工作，已经成功研制了瓶盖 大小的全能传感器，可以执行计算、检测与通信功能。在日本，日立公司已开发 出了全球最小的无线传感器网络终端，该终端可以连接各种传感器包括温度、亮 度、红外线以及加速度等。可以应用于安全管理和智能家庭。我国的无线传感器 网络及其应用研究几乎与发达国家同步。2001 年由中国科学院牵头，由上海微 系统所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中国科技大学等十余家科研院 所和高校建立了传感器网络系统研发平台，在无线智能传感器网络通信技术、微 型传感器、传感器节点等方面取得了很大进展。Zigbee 无线传感器网络已经在 各领域展开了广泛的应用。 二、瓦斯浓度检测技术二、瓦斯浓度检测技术 2.12.1 瓦斯传感器技术瓦斯传感器技术 3 目前，矿井中常用的瓦斯传感器可分为热导式和热效式两大类。 热导式瓦斯传感器利用瓦斯与空气导热系数的不同而测量瓦斯浓度。 这种传 感器在工作时需通入恒定的电流， 将其加热到一定的温度(180℃左右)才能工作， 功耗较大， 且其中的半导体热敏式电阻传感器受水蒸汽的影响较大，元件的一致 性和互换性也较差。热导式瓦斯检测仪在测定低浓度的瓦斯时，输出信号很小误 差较大。因此，这类传感器制成的瓦斯检测仪适用于测量高浓度的瓦斯(5%～ 100%)。目前这种传感器在矿井中应用较少。 热效式瓦斯传感器(又称热催化式瓦斯传感器)， 其工作原理是利用可燃气体 在催化剂的作用下进行无焰燃烧产生热量，使元件电阻因温度升高而发生变化， 通过测量电阻端电压来测知瓦斯的浓度。这种传感器的优点是精度较高，输出信 号较大(1%CH 时， 输出电压可达 15～20mV)， 且不受其它燃气和灰尘存在的影响。 它的缺点是元件表面温度高(300～450℃)；寿命短(多数国家均保证 1 年)；功 耗大(其加热功率1W。热催化元件功耗为 0.3～0.75W)，易受硫、铅、磷、氯等 的化合物干扰而使催化剂中毒，降低其灵敏度，甚至误报。 综合上述因素， 本课题中传感器器件选用DYNAMENT公司生产的MJC4传感器， 其结构图如图 2.1 所示。 图 2.1 元件外形结构 2.2Zigbee2.2Zigbee 无线网络技术无线网络技术 ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗局域网协议。 根据国际标准规定， ZigBee 技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议） 来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂是靠飞翔和“嗡嗡”地抖动翅膀的“舞蹈”来与 同伴传递花粉所在方位信息， 也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信 网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用 于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee 就是一种 便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee 是一种低速短距离传输的 无线网络协议。 ZigBee 协议从下到上分别为物理层 (PHY)、媒体访问控制层 (MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问 4 控制层遵循 IEEE 802.15.4 标准的规定。 它有如下特点： (1) 低功耗：由于 Zigbee 的传输速率低，发射功率仅为 1mW