無線傳感器網(wǎng)絡(luò)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)開題報(bào)告20101207課件

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)目錄一選題的依據(jù)和意義二國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)三研究?jī)?nèi)容四準(zhǔn)備工作情況和主要工作措施五工作計(jì)劃六預(yù)期成果七難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)八參考文獻(xiàn)煤田火區(qū)治理是一個(gè)世界性難題，在全球范圍內(nèi)除了南極洲以外，其他幾大洲都存在地下煤火現(xiàn)象。美國(guó)、印度等國(guó)家同樣受到煤田自燃引發(fā)災(zāi)害的困擾。我國(guó)煤田火區(qū)主要分布在新疆、寧夏和內(nèi)蒙古。這三個(gè)自治區(qū)的煤炭?jī)?chǔ)量約占全國(guó)儲(chǔ)量的80％以上，可是這些地區(qū)又是全國(guó)煤田火災(zāi)最為嚴(yán)重的省區(qū)。據(jù)有關(guān)部門估算，這3個(gè)自治區(qū)潛在燃燒面積多達(dá)720平方公里，燃燒的煤火每年破壞煤炭資源多達(dá)2億噸，燃燒時(shí)排放出大量的有毒有害氣體嚴(yán)重地污染了大氣環(huán)境，在對(duì)流層會(huì)形成大范圍的酸雨，并可能破壞臭氧層，給當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境和人民生活帶來很大的威脅。一選題的依據(jù)和意義

選題的依據(jù)和意義往往煤田有多處自燃著火區(qū)，不可能同時(shí)去滅火，因此可根據(jù)著火點(diǎn)空氣污染的嚴(yán)重程度來決定優(yōu)先滅火。在煤田著火區(qū)域密集布設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)氣體監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的有害氣體排放的情況，這充分體現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。監(jiān)測(cè)人員不用到現(xiàn)場(chǎng)也可監(jiān)測(cè)氣體排放情況，保護(hù)了監(jiān)測(cè)人員的安全，為進(jìn)一步治理當(dāng)?shù)氐目諝馕廴咎峁┮罁?jù)，最終達(dá)到保護(hù)空氣環(huán)境、節(jié)能減排的目的。節(jié)能減排指的是減少能源浪費(fèi)和降低廢氣排放。我國(guó)“十一五”規(guī)劃綱要提出，“十一五”期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20％左右、主要污染物排放總量減少10％。選題的依據(jù)和意義節(jié)能減排是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的重大舉措；是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇；是推進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，轉(zhuǎn)變?cè)鲩L(zhǎng)方式的必由之路；是維護(hù)中華民族長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的必然要求。節(jié)能減排意義深遠(yuǎn)，這應(yīng)該是一項(xiàng)全社會(huì)、全球性的自發(fā)行為。我們要保護(hù)我們的生存環(huán)境，為我們的后代著想，而絕對(duì)不能為了眼前的利益以破壞環(huán)境為代價(jià)。只有堅(jiān)持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展，才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展。M40?M煤礦專用4氣體檢測(cè)儀：首家獲得煤安MA認(rèn)證，鋰電池可連續(xù)工作18小時(shí)，超大LCD顯示，75小時(shí)數(shù)據(jù)記錄，50英尺遠(yuǎn)程采樣，可檢測(cè)氧氣（O2）、甲烷氣體（CH4）、一氧化碳(CO)、硫化氫（H2S）。T40單氣體檢測(cè)儀，使用普通5號(hào)電池，容易更換，翻蓋標(biāo)定罩，美國(guó)專利，標(biāo)定簡(jiǎn)便，重量輕、體積小，獲得中國(guó)煤安MA認(rèn)證，超大LCD液晶顯示屏能清晰的讀出氣體濃度、種類、峰值和高、低濃度報(bào)警水平，可檢測(cè)HS或CO。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)北京市朝陽區(qū)一氧化碳預(yù)警系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)氣體傳感器檢測(cè)氣體的一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的特例。該系統(tǒng)通過在房屋內(nèi)安裝監(jiān)控探測(cè)器和無線傳輸模塊3萬只，對(duì)空氣中的一氧化碳濃度進(jìn)行24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控。2010年春節(jié)期間，各監(jiān)控中心共收到一氧化碳濃度超標(biāo)報(bào)警信息194例，所有報(bào)警全部按照既定流程進(jìn)行了及時(shí)處置，通過防手段減少人防工作量，提高對(duì)一氧化碳中毒事件的防控水平，有效確保了百生安居樂業(yè)、社會(huì)安全穩(wěn)定。氣體檢測(cè)儀器的發(fā)展方向

氣體傳感器的研究涉及面廣、難度大，屬于多學(xué)科交叉的研究?jī)?nèi)容。氣體傳感器智能化是其發(fā)展的必由之路。智能氣體傳感器將在充分利用微機(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、電路與系統(tǒng)、傳感技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊理論等多學(xué)科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。氣敏材料的開發(fā)和根據(jù)不同原理進(jìn)行檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)一直受到研究人員的關(guān)注。未來氣體傳感器的發(fā)展也將圍繞這兩方面展開工作。目前仿生氣體傳感器也在研究中。警犬的鼻子就是一種靈敏度和選擇性都非常好的理想氣敏傳感器，結(jié)合仿生學(xué)和傳感器技術(shù)研究類似狗鼻子的“電子鼻”將是氣體傳感器發(fā)展的重要方向之一。三研究?jī)?nèi)容

研究?jī)?nèi)容主要分為以下五個(gè)方面：1.有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案；2.無線氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)；3.節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)；4.氣體檢測(cè)模塊研究；5.監(jiān)測(cè)控制中心管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案用于煤田火區(qū)空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。這是一個(gè)層次型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最左邊為部署在實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，往右依次為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)，最終連接到Internet網(wǎng)。為獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個(gè)不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，從而形成多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點(diǎn)將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)傳送到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，再由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)sink，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)經(jīng)移動(dòng)網(wǎng)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)上。2.無線氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)無線氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)被廣泛采用的原因是源于一個(gè)數(shù)學(xué)猜想，正六邊形被認(rèn)為是使用最少結(jié)點(diǎn)數(shù)且可以完整覆蓋某一區(qū)域最大面積的圖形，出于節(jié)約設(shè)備構(gòu)建成本的考慮，正六邊形是最好的選擇。蜂窩通常使用正六邊形來表示。無線蜂窩網(wǎng)在提高無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率方面起到關(guān)鍵性作用。網(wǎng)絡(luò)出故障時(shí)提供有效的迂回路由，確保通信暢通無阻;與專線或菊花鏈相比更具彈性和可靠性，而且網(wǎng)絡(luò)具有自配置、自組織和自愈的能力。蜂窩網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點(diǎn)或接入點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)通信，而不需要路由到中心交換點(diǎn)，從而消除了集中式的故障，提供自我恢復(fù)和自我組織的功能。節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)2）匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)3）節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)氣體檢測(cè)模塊研究2）氣體傳感器的性能指標(biāo)有靈敏度、響應(yīng)特性(反應(yīng)時(shí)間)、線性范圍。3）氣體傳感器的種類如下:（1）半導(dǎo)體氣體傳感器（2）固體電解質(zhì)氣體傳感器（3）接觸燃燒式氣體傳感器（4）光學(xué)式氣體傳感器（5）石英諧振型氣體傳感器（6）表面聲波氣體傳感器（7）固體高分子電解質(zhì)型氣體傳感器（8）電化學(xué)氣體傳感器其中半導(dǎo)體氣體傳感器分為金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器和有機(jī)半導(dǎo)體氣體傳感器。金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器又可分為電阻式和非電阻式兩種。氣體檢測(cè)模塊研究4）COM2442模塊研究COM2442是一款費(fèi)加羅公司設(shè)計(jì)的基于半導(dǎo)體傳感器TGS2442的模塊，用于檢測(cè)氣體CO。實(shí)物見左圖。該模塊集成了氣體信號(hào)值的采集和調(diào)理（放大）電路，輸出模擬量，表征CO的濃度值。該模塊的組成結(jié)構(gòu)見右圖。氣體檢測(cè)模塊研究5.監(jiān)測(cè)控制中心管理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)1）監(jiān)測(cè)中心硬件設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)控制中心管理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2）監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)四準(zhǔn)備工作情況和主要工作措施

分析煤田火區(qū)可能產(chǎn)生的有害氣體；查閱氣體傳感器的相關(guān)資料，了解氣體傳感器的分類以及各類氣體傳感器的工作原理，著重了解半導(dǎo)體氣體傳感器和電化學(xué)氣體傳感器及其信號(hào)的調(diào)理電路設(shè)計(jì)。根據(jù)半導(dǎo)體氣體傳感器TGS2442較高的性能指標(biāo)和信號(hào)調(diào)理電路的可行性，購(gòu)買CO氣體檢測(cè)模塊COM2442。研究CO氣體檢測(cè)模塊COM2442，查閱模塊中的各個(gè)芯片的引腳定義、功能定義、時(shí)序等，為將來自行設(shè)計(jì)適合用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有害氣體監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的氣體傳感器采集和調(diào)理模塊做好準(zhǔn)備。五工作計(jì)劃六預(yù)期成果將傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在煤田著火點(diǎn)的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自主形成網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)搜集周圍環(huán)境的氣體濃度值。由于節(jié)點(diǎn)就處于煤田火區(qū)的氣體監(jiān)測(cè)環(huán)境中，大量部署功能稍弱但非常廉價(jià)的節(jié)點(diǎn)可以得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠滿足一定的精度要求;相比于傳統(tǒng)的使用少數(shù)幾個(gè)處理能力較強(qiáng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備的方法，大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的魯棒性。處于傳感器網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點(diǎn)必須通過轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。每個(gè)傳感區(qū)域都有一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)搜集傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)。所有的匯聚節(jié)點(diǎn)都連接到上層移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通過移動(dòng)基站與Internet網(wǎng)連接。傳感器節(jié)點(diǎn)搜集的數(shù)據(jù)最后都通過Internet傳送到監(jiān)管中心的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。監(jiān)管中心遠(yuǎn)程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而了解現(xiàn)場(chǎng)氣體排放情況。八參考文獻(xiàn)[1]黃雙根,吳燕,黃大星.基于STC89C52新型一氧化碳報(bào)警器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子

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