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通信工程毕业设计(论文)-无线传感器网络一氧化碳气体监测节点设计.doc通信工程毕业设计(论文)-无线传感器网络一氧化碳气体监测节点设计.doc -- 6 元

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江苏大学本科毕业设计无线传感器网络一氧化碳气体监测节点设计专业班级通信工程(1)班学生姓名指导教师职称教授摘要为了随时了解煤矿的空气质量状况,设计了一种基于无线传感器网络一氧化碳监测系统。由无线传感器网络及GPRS网络组成的CO质量监测系统可以实现远程实时数据采集。大量的传感器节点部署在监测区域,负责采集CO信息,再经GPRS网络传送到与Intemet网络相连的远端监控中心工作人员通过对接收的数据进行分析,及时发布相应信息,为煤矿安全提供依据。ZigBee技术是近几年兴起的一种短距离无线通信标准,在无线传感器网络有自身独特的优势,因此基于ZigBee的气体浓度监测系统应运而生。以煤田火区一氧化碳气体检测为背景,设计实现基于ZigBee气体浓度监测系统,主要工作有以下方面l研究了ZigBee协议标准,以及协议框架。2根据具体环境,给出气体浓度监测系统总体结构设计和网络拓扑结构。3选择主要器件和开发平台,完成终端节点的硬件设计,实现了数据采集模块、无线发送模块、电源供电模块。4研究了ZigBee精简协议栈,完成终端节点及协调器应用程序。5在IRM环境下,完成基于节点软件设计,实现了相应等功能。6对气体浓度监测系统进行实验性的测试,给出测试结果。通过对气体浓度监测系统的设计实现与运行测试,基本达到了设计要求,充分体现了ZigBee技术在监控领域的优势。此外,论文还设计了传感器网络节点的硬件电路包括无线收发模块和扩展模块。论文对所设计的层次型无线传感器网络进行了实验,对实验结果进行了分析。实验结果表明网络能够成功实现拓扑结构的建立,并且使数据按照所设计的机制进行传输,到达了预期的设计目标。关键词无线传感器网络GPRS一氧化碳检测系统ZigBee江苏大学本科毕业设计DesignofCarbonMonoxidemonitoringnodebasedonWSNAbstractInordertoenableustokeepabreastofcoalminequality,comonitoringsystemsbasedonthewirelesssensornetworksisdesigned.FromwirelesssensornetworksandGPRSnetworkofcarbonmonoxidemonitoringsystemcanbringaboutlongdistancerealtimedatacollectionfromalargenumberofsensornodesdeployedintheregiontomonitorfortheacquisitionofcarbonmonoxideinformation,viaGPRSnetworkstodelivertheinformationtothefarmonitoringcentrewhichconnectedtheInternetthestaffthroughtheanalysisofthedatawhichwerereceivedandpublishedtimelyitinformation,providethebasisforurbanplanning.Passedthetestofthesystem,thesystemisworkingwell.Themaincontentsandconclusionsareasfollows.ZigBeeisakindofstandardthatemergesinrecentyearsasshortdistancewirelesscommunieationtechnical,andhasitsownuniquesuperioritywhenitisappliedInthewirelesssensornetwork.ThereforetheGasDensityMonitoringsystembasedonZigBeeemergedasthetimesrequire.ThepaperdesignedandimplementedthesystembasedonZigBeeagainstabackdropofsmeelter.Themainworkisasfollows1.studiedthezigBeeprotocolstandardsandframework2.designedoftheoverallstructureoftheGasDensityMonitoringsystemandnetworktopologydependonspecificenvironmentalofsmelter.3.ChosethemainchiPanddevelopmentPlatform,comPletedthehardwaredesignoftheterminalnode,realizedtheADconvertermodule,awirelesssendingModule,powersupplymodule.4.StodiedthereducedZigBeestack,completethedesignofsoftwareoftheterminalnodesandcoordinator.5.CompletedthesoftwareofPC一monitoring,whichhadsomefunctionssuchasserialportsettings,thresholdvaluesettings,databaseproeessing,dynamicchartsandsoon,basedonMFCinVC6.0developmentenvironment.6.Testedtheconcentrationofgasmonitoringsystemandgavetheresults.ThesystemhadmetthebasicdesigngoalandreflectedZigBeetechnologyownUniquesuperioritywhenitwasappliedinmonitoringareathroughthedesignandtestoftheconcentrationgasofmonitoringsystembaseZigBee.Inadditiontothis,thecircuitforthenodewasdesignedincludingwirelessmoduleandexpandingmodule.Theexperimentwascardedoutandtheexperimentalresultswerealsoanalysed.Theresultsshowthatthedesigninghasreachedtheexpectedtarget.ThenetworkcouldformthetopologyconfigurationsuccessfullyandthedataCanbetransmittedinthelightoftheroutingmechanismdesigned.KeywordswirelesssensornetworksGPRScarbonmonoxidemonitoringsystemZigBee江苏大学本科毕业设计目录第一章绪论.................................................................11.1研究背景............................................................11.2研究目的与意义......................................................21.3研究内容............................................................21.3.1论文介绍.......................................................21.3.2论文组织.......................................................2第二章气体检测总体方案.....................................................32.1气体检测原理........................................................32.1.1一氧化碳传感器工作原理.........................................32.1.2ZigBee技术....................................................32.1.3无线传感器网络的相关技术.......................................72.2系统整体结构设计....................................................82.2.1相关要求.......................................................82.2.2系统总体设计...................................................8第三章气体检测节点的硬件设计..............................................103.1节点组成...........................................................103.2节点的硬件设计.....................................................103.2.1传感器节点硬件设计............................................103.2.2汇聚节点硬件设计..............................................15第四章气体检测节点软件设计................................................174.1软件结构图.........................................................174.2模块的软件设计.....................................................174.2.1数据采集模块..................................................174.2.2数据发送到汇聚节点............................................194.2.3汇聚节点对数据的接收..........................................204.2.4传感器节点的软件设计..........................................214.2.5汇聚节点软件设计..............................................22第五章结论与展望..........................................................255.1总结...............................................................255.2展望...............................................................25参考文献.................................................................26致谢....................................................................27江苏大学本科毕业设计1第一章绪论1.1研究背景国内无线传感器网络的研究历程及发展趋势我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究首次正式出现于1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中,作为该领域提出的五个重大项目之一。山东省科学院于2004年10月启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究煤炭科学研究总院重庆研究院研发的GTH500B型一氧化碳传感器。该检测仪主要用于监测煤矿井下环境气体中一氧化碳的浓度,能在具有瓦斯或煤尘爆炸等危险恶劣的环境中对煤的自燃等各种内、外因造成的火灾实现就地监测和遥测。它采用高性能进口电化学原理的气体传感器7E/F英国CITY,在整个硬件软件设计中,采取多种抗干扰措施,满足国家相关标准的电磁兼容要求,具有性能稳定、测量精度高、响应速度快、故障自检、结构坚固、易使用易维护等特点。北京市朝阳区一氧化碳预警系统是国内气体传感器检测气体的一个物联网的特例。该系统通过在房屋内安装监控探测器和无线传输模块3万只,对空气中的一氧化碳浓度进行24小时实时监控。2010年春节期间,各监控中心共收到一氧化碳浓度超标报警信息194例,所有报警全部按照既定流程进行了及时处置,通过防手段减少人防工作量,提高对一氧化碳中毒事件的防控水平,有效确保了百生安居乐业、社会安全稳定。煤炭科学研究总院重庆研究院研发的GTH500B型一氧化碳传感器。该检测仪主要用于监测煤矿井下环境气体中一氧化碳的浓度,能在具有瓦斯或煤尘爆炸等危险恶劣的环境中对煤的自燃等各种内、外因造成的火灾实现就地监测和遥测。它采用高性能进口电化学原理的气体传感器7E/F英国CITY,在整个硬件软件设计中,采取多种抗干扰措施,满足国家相关标准的电磁兼容要求,具有性能稳定、测量精度高、响应速度快、故障自检、结构坚固、易使用易维护等特点。国外在气体检测仪的研究主要集中在气体传感器的气敏材料的创新以及复合气体采集的实现上。气体检测仪做成便携式的和固定式的两种。现在的气体检测仪多集中于气体传感器阵列电子鼻系统,可检测多种气体。日本费加罗公司发明的TGS系列半导体式气体传感器优良的长期稳定性和可靠性以在全世界获得广泛确认。美国英思科公司是全球知名的设计制造和销售工业级便携式和固定式有毒有害气体检测仪的专业公司。IndustrialScientific已成为全球坚固可靠的气体监测仪器系统的代名词。M40M煤矿专用4气体检测仪首家获得煤安MA认证,锂电池可连续工作18小时,超大LCD显示,75小时数据记录,50英尺远程采样,可检测氧气(O2)、甲烷气体(CH4)、一氧化碳CO、硫化氢(H2S)。T40单气体检测仪,使用普通5号电池,容易更换,翻盖标定罩,美国专利,标定简便,重量轻、体积小,获得中国煤安MA认证,超大LCD液晶显示屏能清晰的读出气体浓度、种类、峰值和高、低浓度报警水平,可检测HS或CO。江苏大学本科毕业设计21.2研究目的与意义煤田火区治理是一个世界性难题,在全球范围内除了南极洲以外,其他几大洲都存在地下煤火现象。我国煤田火区主要分布在新疆、宁夏和内蒙古。这三个自治区的煤炭储量约占全国储量的80%以上,可是这些地区又是全国煤田火灾最为严重的省区。据有关部门估算,这3个自治区潜在燃烧面积多达720平方公里,燃烧的煤火每年破坏煤炭资源多达2亿吨,燃烧时排放出大量的有毒有害气体严重地污染了大气环境,在对流层会形成大范围的酸雨,并可能破坏臭氧层,给当地的自然环境和人民生活带来很大的威胁。往往煤田有多处自燃着火区,不可能同时去灭火,因此可根据着火点空气污染的严重程度来决定优先灭火。本课题研究重点目的放在煤田着火区域密集布设无线传感器网络气体监测节点可以实时地远程监测的有害气体排放的情况,这充分体现了无线传感器网络的特点。监测人员不用到现场也可监测气体排放情况,保护了监测人员的安全,为进一步治理当地的空气污染提供依据,最终达到保护空气环境、节能减排的目的。节能减排指的是减少能源浪费和降低废气排放。我国十一五规划纲要提出,十一五期间单位国内生产总值能耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%。节能减排是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择是推进经济结构调整,转变增长方式的必由之路是维护中华民族长远利益的必然要求。节能减排意义深远,这应该是一项全社会、全球性的自发行为。我们要保护我们的生存环境,为我们的后代着想,而绝对不能为了眼前的利益以破坏环境为代价。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展,才能实现经济又好又快发展。1.3研究内容1.3.1论文介绍整篇论文是以研究无线传感器网络CO检测系统为出发点来进行设计的。研究内容主要分为以下五个方面1.有害气体监测系统设计总体方案2无线气体传感器网络组网3.节点软硬件设计4.监测控制中心管理系统设计。1.3.2论文组织第一章绪论,首先介绍了该课题的研究背景,详细说明研究的目的以及具有的意义,简了论文的主要内容与组织结构。第二章主要介绍了在本设计当中用到的相关知识的理论,技术分析,然后对系统进行了总体方案的设计。第三章主要对系统的硬件进行设计,包括无线传感器网络的节点的硬件设计,各个模块的设计,监控系统的硬件设计。第四章主要对系统的软件进行设计,包括软件的结构图,核心模块的流程图以及相应的代码。第五章是结论与展望,对本次设计进行了总结,突出了该设计的独特之处,积极对未来工作的展望。江苏大学本科毕业设计3第二章气体检测总体方案2.1气体检测原理2.1.1一氧化碳传感器工作原理当一氧化碳气体通过传感器外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时,在工作电极的催化作用下,一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。其化学反应式为COH2OCO22H2e。在工作电极上发生氧化反应产生的H离子和电子,通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上,与水中的氧发生还原反应。其化学反应式为O24H4e2H2O。因此,传感器内部就发生了氧化还原的可逆反应。其化学反应式为2CO2O2→2CO2。这个氧化还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着,并在电极间产生电位差。但是由于在两个电极上发生的反应都会使电极极化这使得极间电位难以维持恒定,因而也限制了对一氧化碳浓度可检测的范围。为了维持极间电位的恒定,我们加入了一个参比电极。在三电极电化学气体传感器中,其输出端所反应出的是参比电极和工作电极之间的电位变化,由于参比电极不参与氧化或还原反应,因此它可以使极间的电位维持恒定(即恒电位),此时电位的变化就同一氧化碳浓度的变化直接有关。当气体传感器产生输出电流时,其大小与气体的浓度成正比。通过电极引出线用外部电路测量传感器输出电流的大小,便可检测出一氧化碳的浓度,并且有很宽的线性测量范围。这样,在气体传感器上外接信号采集电路和相应的转换和输出电路,就能够对一氧化碳气体实现检测和监控。2.1.2ZigBee技术ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。有自己的无线电标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们之间的通信效率非常高,这些数据可以进入计算机用于分析或是被另外一种无线技术收集1。1)ZigBee网络配置在ZigBee的网络中,从设备功能上分为两种类型全功能节点FFD(FullFunctionDevice)和半功能节点RFD(ReducedFunctionDevice)。FFD节点全功能设备,支持标准定义的所有功能和特性,具有路由与中继功能,可以与RFD节点通信,也可以与别的FFD节点通信。RFD节点精简功能设备,功能简洁,存储器容量要求较少。作为网络的终端节点,只能和FFD节点通信,RFD节点之间不能相互通信,软硬件实现相对比较简单。ZigBee网络含三种类型的节点,主节点、路由节点以及终端节点,即协调器、路由器和终端设备。其中协调器和路由器均为全功能设备FFD,而终端设备选用精简功能设RFD。主节点就是协调器,无论ZigBee网络采用何种网络拓扑结构,都需要有由一个FFD节点构成的主节点。它是网络的核心,负责建立一个网络,将其它节点加入网络并分配地江苏大学本科毕业设计4址,提供信息路由安全管理和其他服务。路由节点也是一个FFD节点,负责转发信息和维护网内路径,允许子节点通过它加入网络,通常路由节点不能够休眠。终端节点可以是一个FFD节点或RFD节点,其主要任务就是发送信息,通常终端点可以休眠以节省电能,但它不能够转发信息,也不能让其它节点加入网络。2)ZigBee寻址方式ZigBee网络的每一个节点都有两个地址16位网络地址和64位的MAC地址。16位网络地址称为短地址,用来在网络中标识该设备和发送数据。64位MAC地址通常称为长地址,它是由IEEE来分配和维护,并且通常是由制造商设置或者安装时被设置,设备将在其生命周期中一直拥有该地址。使用ZigBee协议通信的设备都有一个全球唯一的64位MAC地址,64位MAC地址在配置文件中定义。当节点设备成功加入ZigBee网络后,网络协调器则为设备分配一个16位短地址,其在同一个PAN网络内部唯一。寻址方式分为单播和广播两种类型。单播当单播一个消息时,数据包的MAC报头中应含有目的节点的地址,只有知道了接收设备的地址,消息方才可以单播方式进行发送。广播如果通过广播来发送消息,应将信息包MAC报头中的目的地址域置为0XFF。此时,所有射频收发使能的终端皆可接收到该信息。3)ZigBee的网络拓扑1,2ZigBee的网络拓扑结构可分为三种星型网络、树型网络、网型网络。(1星型网络星型网络是由一个协调器和若干个终端组成的,其结构如图21所示。协调器负责网络的建立和维护,它必须是FFD节点,终端设备可以是FFD节点也可以是RFD节点,终端设备间的通信都需通过协调器的转发。图21星型网络拓扑结构星型网络拓扑的优点是结构简单,具有较低的设备本、较少的上层路由信息并且管理简便。但是它也存在很多不足,网络中的所有终端节点只能和协调器通信,两个终端节点间必须经过协调器才能进行通信,中心节点肩负着所有数据接收和转发的任务,数据路由只有唯一路径,中心节点可能成为整个网络的瓶颈。(2)树型网络树型网络包括一个协调器和一系列的路由器及终端节点,其网络拓扑结构如图22所示。设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通信外,其它只能通过树状路由完成消息传输。
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zhaozilong上传于2013-11-21

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