（信号与信息处理专业论文）基于物联网技术的煤矿瓦斯浓度监测系统设计.pdf

图书分类号图书分类号 tm921.51 密级密级 非密 udcudc 注注 1 1_ _ 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于物联网技术的煤矿瓦斯浓度基于物联网技术的煤矿瓦斯浓度检测系统设计检测系统设计 吴学刚吴学刚 指导教师（姓名、职称）指导教师（姓名、职称） 王福明 教授 申请学位申请学位级级 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 信号与信息处理信号与信息处理 论文提交日期论文提交日期_ _20122012_ _年年_4 4_ _ _月月_ _ _2424_ _ _日日 论文答辩日期论文答辩日期 2012 2012 年年 5 5 月月 29 29 日日 学位授予日期学位授予日期_年年_月月_日日 论文评阅论文评阅_贾跃虎贾跃虎 屠全良屠全良_ 答辩委员会主席答辩委员会主席_赵子龙赵子龙 _ 2012 2012 年年 5 5 月月 2929 日日 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定） 。后遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 基于物联网技术的煤矿瓦斯浓度检测系统设计 摘 要 瓦斯浓度实时监测是煤矿安全生产的主要前提之一。本文通过研究发现采用物联网 技术的煤矿井下瓦斯浓度无线监测网络，能更好的实现无误差报警。该系统使用无线通 信方式开发井下瓦斯浓度实时监测网络，并且通过物联网的形式与互联网连接，使煤矿 管理人员、上级主管部门，甚至普通民众都可以随时观察煤矿井下任何位置的瓦斯浓度 情况。 本文的研究内容主要包括两个部分，一是具有无线通信功能的瓦斯检测节点的研 究；二是物联网监控软件开发。因井下环境温度与瓦斯气体释放速度密切相关，故开发 的瓦斯检测节点可对矿井下瓦斯浓度以及温度同时检测。设计中采用了 mc112 型瓦斯 探测器、ad7416 型温度传感器、瓦斯浓度判断电路、单片机控制模块以及 zbee 无线收 发模块等组成无线传感网络节点，该节点可以同时采集井下瓦斯浓度和环境温度信息， 并且通过无线方式传递数据，节点具有检测灵敏度高、受其它气体组分的影响小、结构 简单，并且可以远程监控等特点。开发了井下无线通信网络软件，建立了拓扑结构的无 线通信协议，该网络由井下无线通信节点组成，这些节点在瓦斯浓度采集的同时，也担 任数据传输的任务共同井下无线通信网络，构建了井上综合监控的智能化软件平台，使 井上管理人员、管理机构甚至无关人员都可以通过网络查询井下瓦斯浓度分布状况。进 行了相关实验，结果表明该网络可以可靠采集瓦斯浓度和环境温度信息，并且通过无线 传输、网络交换的方式与互联网平台通信。 关键词：热释电瓦斯探测器,超限报警,无线网络监测，便携式仪器 the designing of gas concentration detecting system for coal mine based on the internet of things abstract the real-time monitoring of gas concentration is one of the main premise of the coal mine production safety. in this paper, the study found that wireless monitoring network for the internet of things technology coal mine gas concentration, and better able to achieve without error alarm. the system uses wireless communication to the development of real-time monitoring network of underground gas concentration, and connected to the internet of things in the form of coal mine managers, the higher authorities, and even ordinary people can be observed at any location of the coal mine gas concentration. this study mainly consists of two parts, one with gas detection node of the wireless communication function; of things monitoring software development. closely related to the release rate of the underground environment, temperature and gas gas, so the development of gas detection node to detect the gas concentration and temperature in the mine at the same time. mc112-type gas detector design of ad7416 temperature sensor, the gas concentration judge circuit, microprocessor control module and zbee wireless transceiver modules such as wireless sensor network node, the node can collect underground gas concentration and ambient temperature information, and pass data through a wireless node has a high detection sensitivity, and other gas components is small, simple structure, and remote monitoring features. underground wireless communication network software development, the establishment of the topology of wireless communication protocols, the network consists of underground wireless communication nodes, these nodes collected in the gas concentration at the same time, also served as the data transfer task common underground wireless communication network constructed inoue intelligent software platform for comprehensive monitoring, to inoue management, regulatory agencies and even unrelated persons can query through the network of underground gas concentration distribution. related experimental results show that the network can reliably collect the gas concentration and ambient temperature, and exchanged on the network via wireless transmission, and internet platform communication. keywords:gas pyroelectric detector,limit alarm,wireless network monitoring, portable instruments 中北大学学位论文 i 目目 录录 1. 绪绪 论论 1.1 煤矿瓦斯实时监测的重要意义煤矿瓦斯实时监测的重要意义 . 1 1.2 瓦斯检测技术的发展现状瓦斯检测技术的发展现状 . 2 1.3 物联网简介物联网简介 . 5 1.4 物联网技术的发展现状物联网技术的发展现状 . 6 2. 矿井下瓦斯监测的总体设计矿井下瓦斯监测的总体设计 2.1 系统的整体设计要求系统的整体设计要求 . 9 2.2 系统设计结构系统设计结构 . 10 2.2.1 实时监测模块实时监测模块 . 11 2.2.2 无线传输模块无线传输模块 . 13 2.2.3 zigbee 简介简介 . 15 2.3 物联网计算机的监测平台物联网计算机的监测平台 . 20 2.3.1 物联网检测平台的技术要求物联网检测平台的技术要求 . 20 2.3.2 软件开发环境软件开发环境 . 21 3. 物联网煤矿瓦斯监测系统的设计物联网煤矿瓦斯监测系统的设计 3.1 地面监控子系统设计地面监控子系统设计 . 23 3.2 无线传感网络节点设计无线传感网络节点设计 . 24 3.2.1 处理器控制电路设计处理器控制电路设计 . 25 3.2.2 稳压电源电路设计稳压电源电路设计 . 26 3.2.3 无线收发芯片电路设计无线收发芯片电路设计 . 27 3.2.4 瓦斯采集电路设计瓦斯采集电路设计 . 28 3.2.5 温度采集电路设计温度采集电路设计 . 30 3.3 节点转换器节点转换器 . 31 3.3.1 数据接收器数据接收器 . 31 3.4 节点组网及程序流程节点组网及程序流程 . 32 中北大学学位论文 ii 4. 监控软件的设计及实验监控软件的设计及实验 4.1 监控监控软件的设计软件的设计 . 35 4.1.1 监控软件的设计思路监控软件的设计思路 . 35 4.1.2 监控软件界面设计监控软件界面设计 . 36 4.1.3 节点加入网络设计节点加入网络设计 . 37 4.2 监测软件的数据实验监测软件的数据实验 . 38 4.2.1 探测数据的实时显示探测数据的实时显示 . 38 4.2.2 数据处理及在线分析数据处理及在线分析 . 39 4.2.3 瓦斯气体浓度吸收实验瓦斯气体浓度吸收实验 . 41 5. 主要创新点以及下一步的研究工作主要创新点以及下一步的研究工作 参考文献参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文攻读硕士学位期间发表的论文 致致 谢谢 中北大学学位论文 1 1. 绪 论 1.1 煤矿瓦斯实时监测的重要意义 瓦斯事故是煤矿安全生产的主要威胁之一。瓦斯爆炸一直是困扰采矿业的重大难 题，造成重大伤亡事故屡有发生。据全国煤矿瓦斯防治部协调领导小组办公室2010年7 月25日的通报，仅2010年上半年，全国煤矿发生瓦斯事故144起，死亡586人，给家庭和 社会造成了极大的损失。 其瓦斯爆炸的两个主要物理原因是ch4 与o2的浓度达到一定的 界限以及存在火源点，如化学性火源、冲击性火源、电气性火源等。目前我国煤矿井下 主要使用的只有瓦斯传感器，并没有温度传感器。最普遍使用的有载体催化燃烧式、光 干涉式、热传导式，这3种瓦斯传感器，但它们检测技术落后、检测范围窄、调校频繁、 操作繁琐、极易因误报或漏报而导致事故发生，而且多为分散、独立的瓦斯传感器，不 能同时实时的监测矿井多个工作区瓦斯浓度，并需要人员携带瓦斯探测器进入现场监测 瓦斯浓度后，才能得出矿下瓦斯的浓度，使用起来极不方便。因此需要研究一种能够同 时实时监测矿井下多个工作区瓦斯浓度和温度的监测系统。由于矿井下工作面是不断变 化的，因此需要瓦斯探测器也能够随作业面的移动而移动，如果检测系统使用有线传感 器网络，则需要不断的调整传感器的位置、繁琐的拆卸、安装、调试、校准，而且由于 采煤工作面的特殊性，信号线极易损坏，使用起来很不方便。 山西作为产煤大省，省内分布着几百家煤矿，而近年来矿难事故屡屡发生，对矿工的生命财产 安全带来了巨大的危害。其他的瓦斯检测技术虽然也进行了大量的研究，但是大都由于各种原因未 能投入使用，或者未能得到大范围的推广。问题没有得到解决，其实原因很简单，成本是最主要的 因素。对于热催化燃烧式的瓦斯检测装置虽然有种种缺点，但是价格便宜所以应用广泛。而其他许 多用于瓦斯浓度监测的设备虽然精度高，实时性好，但都因为成本问题没有大量生产并使用。所以 为了减少矿难事件，保护矿工生命安全，本人决定进行深入的研究，制作探测所用的判断电路、通 信模块、以及远程监视界面，更好的实现生命与财产的零损失。 矿难事件主要是由于瓦斯浓度超限，报警不及时造成的后果。在矿井下工作时瓦斯浓度监测是 安全工作的重要参数（在大气中爆炸的下限为5% ；上限为15%，及时检测甲烷气体体积分数） ， 对于矿工安全运行、人身安全有着至关重要的作用。目前，国有煤矿瓦斯检测技术较为 中北大学学位论文 2 落后，探测的瓦斯浓度也不能直接有效地传输给控制中心，所以有必要开发一种能够同 时探测矿井下温度和瓦斯浓度的无线传感系统。 我国当前要构建的和谐社会，是人与人的和谐，人与自然的和谐，社会生产与环境 保护的和谐，人民财产安全与可持续发展的和谐。而我省作为能源大省，矿难事件的频 繁发生与社会主义现代化建设是非常不和谐的，也是不符合以人为本的精神的。 1.2 瓦斯检测技术的发展现状 监测瓦斯浓度是矿井工作是否安全的重要参数。几十年来，在瓦斯浓度监测领域有 各种各样的方法，但各种方法各有利弊。在我国各能源大省都面临着同样的问题，就是 如何在矿井下更好的监测瓦斯浓度。以下列举几种常用的瓦斯浓度监测方法，所存在的 问题： （1）瓦斯测定灯法：也叫安全灯法，是一种用金属网将火焰罩住特制的煤油灯， 当矿内空气通过金属网眼流进罩内时，空气中的瓦斯与火焰接触，立即参加燃烧，从而 将火焰拉长。瓦斯浓度愈高，灯焰愈长。根据火焰伸长的数值，可以判断出空气中的瓦 斯浓度。由于金属网罩散热性好，灯焰产生的热量几乎全部被吸收和散掉，因而不会引 起网外瓦斯燃烧或爆炸。但是，当瓦斯含量在5%以上时，灯内可能发生爆炸，爆炸后 火焰熄灭，在这种情况下使用安全灯很危险。瓦斯检定灯优点是构造简单，能测缺氧状 况；但缺点是测量精度低，且不能用于高浓度瓦斯测量，操作不当又容易引起瓦斯爆炸 事故，故现已基本被淘汰。 （2）热传导法：此法是利用不同气体的热传导率随气体分子量和分子结构不同而 不同的原理，把性能相同的一对敏感器件(通常采用电阻温度系数较大的铂丝或钨丝)分 别接在电桥的两个对应桥臂上，一只放置于被测气样的气室中，另一只放置于标准大气 的密闭气室中。当两只敏感元件被加以同样的电流之后，产生的热量相等。但是，由于 散热介质不同，两只元件存在一定的温差，形成了对应的电阻差，电桥就会失去平衡， 输出一个与瓦斯浓度变化对应的电信号。该法用于高浓度瓦斯测量时效果较好。但当瓦 斯浓度较低时，由于其热导率与空气热导率相近，输出信号很弱，灵敏度很低，所以该 法不适用于低浓度瓦斯的检测。另外，它受气温的影响较大，其它气体引起的空气组分 变化也会导致热导率的变化，引起测量误差。 中北大学学位论文 3 （3）半导体气敏传感器法：此法是在六十年代初期研制成功的。它是利用某些金 属氧化物(如zno、sno2、fe2o3等)在加热条件下，其薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度 的增加而下降的特性来实现对可燃气体的检测。半导体气敏器件灵敏度高，当混合气体 中待测气体的含量不到千分之一时，器件的阻值就会发生变化，并且它具有结构简单、 使用方便、价格便宜等优点，因而在检漏、报警、分析测量等方面获得了广泛应用。但 半导体气敏器件在低浓度下灵敏度高，而在高浓度下器件的电阻变化较小，所以，它只 适合检测低浓度微量气体。另外，这类器件在不通电情况下放置一段时间后，再次通电 时器件并不能立即投入工作，而是需要一个初期恢复时间(短期存放)或初期稳定时间(长 期存放)，这一时间短则几分钟，长则几天。 （4）光干涉法：此法是利用甲烷和空气对光在气室中的光程差的变化来测定甲烷 浓度。光干涉式瓦斯检测仪具有结构简单、安全性好、测量精度高、寿命长、使用可靠、 适用气种广泛、故障少等优点，故历时半个多世纪，至今仍在煤矿井下被广泛使用，客 观存在的主要缺点是测量时受环境气压和温度的影响(考虑修正值后可减小其影响)，测 量时受背景气体影响其浓度读数必须由人眼去直视判读，使用不太方便且没有电信号输 出，只能用作单个检测仪器不能形成系统。目前，一些国内外研究者致力于用线阵ccd 摄像器件实现光电转换，将干涉条纹的位移量转换成电信号输出，但所有与大气折射率 不同的气体与瓦斯一样也均会产生干涉条纹造成误检测，这是无法克服的缺点。 （5）热催化燃烧式瓦斯检测：催化燃烧式传感器是在白金加热丝的周围环绕一圈 涂镀着催化剂的载体，当传感器置于待测可燃气体中，加热丝通以一定的电流时，载体 被加热，瓦斯与氧气在催化剂的作用下，于较低温度(300-500摄氏度)处发生无焰燃烧。 释放出的热量，使白金丝的温度上升，从而引起白金丝的电阻值发生变化，并以此来反 映空气中的瓦斯浓度大小。催化燃烧式传感元件，属气敏热效应型传感器，它具有体积 小(典型值为长3mm,直径1.2mm,重7mg的小圆柱体)、结构简单、使用方便等特点是目前 国内外检测瓦斯的主要传感器。国内的便携式瓦斯探测仪，主要是以催化燃烧法原理制 成的，如煤科院抚顺分院生产的jj-3型等。 （6）超声测量法：根据超声波在不同气体中传播速度不同的原理，可以测量瓦斯 浓度3,7。利用声速测量瓦斯浓度的装置很简单，用两个对称的气室，一个密封空气，一 个与待测气样相通。当由同一声源发出的两束声波通过两个气室时，由于其传播速度不 中北大学学位论文 4 同，到达终端的声波之间有一个与待测气样中甲烷浓度成比例的相位差，用换能器把声 信号变成电信导， 与瓦斯浓度成比例的信号即可用仪表指示出来。 对于低浓度瓦斯气体， 用声速测量时，信号很微弱，这是其主要缺点。为了增强信号，必须把气室做得很长， 这在矿井条件下是很不方便的。对于高浓度瓦斯气体，这种方法则是具有可行性的。 （7）荧光检测法：一些气体分子吸收适当能量(光能、电能、化学能、生物能等) 后，分子被激发到激发态。激发态很不稳定，将很快衰变到基态。激发态在返回基态时 常常伴随光子的辐射，这种现象称为发光。荧光属于分子的光致发光现象。荧光可以由 被测物质本身产生，也可由与其相互作用的荧光染料产生。被测气体的浓度与荧光辐射 的强度成一定关系。检测气体浓度时，使光源的强度和波长保持不变，对荧光辐射进行 扫描，测得荧光辐射的强度，进而求出气体浓度。限制荧光气体传感的主要因素是接收 信号非常微弱，使得检测系统复杂，因而系统成本较高3。 （8）红外光谱吸收测量法：不同气体对红外光有着不同的吸收光谱，一些气体的 特征光谱吸收强度和气体的浓度有关，利用这一原理可以测量甲烷气体浓度9-14。利用 气体在石英光纤透射窗口内的吸收峰，测量由于气体吸收产生的光强衰减，反演出气体 的浓度。常见的气体(如co、ch4、c2h2、no2、co2)在石英光纤的透射窗口都有特定 的泛频吸收峰。光谱吸收型传感器原理是beer-lambert定理，即 wwan wman wlan wpan 0.01 0.11101001000 ieee 802.22 ieee 802.20 wimax ieee 802.16 wifi 802.11 802.15.3 802.15.3a 802.15.3c bluetooth 802.15.1 zigbee 802.15.4 传传 输输 范范 围围 数据传输率数据传输率（mbps），式 中， wwan wman wlan wpan 0.01 0.11101001000 ieee 802.22 ieee 802.20 wimax ieee 802.16 wifi 802.11 802.15.3 802.15.3a 802.15.3c bluetooth 802.15.1 zigbee 802.15.4 传 传 输 输 范 范 围 围 数据传输率数据传输率（ （mbps） ）为输出光强， wwan wman wlan wpan 0.01 0.11101001000 ieee 802.22 ieee 802.20 wimax ieee 802.16 wifi 802.11 802.15.3 802.15.3a 802.15.3c bluetooth 802.15.1 zigbee 802.15.4 传 传 输 输 范 范 围 围 数据传输率数据传输率（ （mbps） ）为输入光强， wwan wman wlan wpan 0.01 0.11101001000 ieee 802.22 ieee 802.20 wimax ieee 802.16 wifi 802.11 802.15.3 802.15.3a 802.15.3c bluetooth 802.15.1 zigbee 802.15.4 传 传 输 输 范 范 围 围 数据传输率数据传输率（ （mbps） ）为特定波长处的吸收系数， wwan wman wlan wpan 0.01 0.11101001000 ieee 802.22 ieee 802.20 wimax ieee 802.16 wifi 802.11 802.15.3 802.15.3a 802.15.3c bluetooth 802.15.1 zigbee 802.15.4 传 传 输 输 范 范 围 围 数据传输率数据传输率（ （mbps） ）为气体浓度， wwan wman wlan wpan 0.01 0.11101001000 ieee 802.22 ieee 802.20 wimax ieee 802.16 wifi 802.11 802.15.3 802.15.3a 802.15.3c bluetooth 802.15.1 zigbee 802.15.4 传 传 输 输 范 范 围 围 数据传输率数据传输率（ （mbps） ）为 光和气体的作用长度，即光程。按照检测方法来分，可分为差分吸收法和谐波检测法。 （9）差分吸收法：有单波长双光路和双波长单光路两种方法。单波长双光路法采 用窄带光源，光源发出的光分成两路，一路通过含有待测气体的气室，另一路通过不含 待测气体的参考气室，两路输出信号之比即可消除光源不稳定性及光电器件温漂、时漂 的影响。双波长单光路一般采用宽带光源，光源发出的光经过两个不同波长 wwan wman wlan wpan 0.01 0.11101001000 ieee 802.22 ieee 802.20 wimax ieee 802.16 wifi 802.11 802.15.3 802.15.3a 802.15.3c bluetooth 802.15.1 zigbee 802.15.4 传 传 输 输 范 范 围 围 数据传输率数据传输率（ （mbps） ）、 wwan wman wlan wpan 0.01 0.11101001000 ieee 802.22 ieee 802.20 wimax ieee 802.16 wifi 802.11 802.15.3 802.15.3a 802.15.3c bluetooth 802.15.1 zigbee 802.15.4 传 传 输 输 范 范 围 围 数据传输率数据传输率（ （mbps） ）的 滤光片。其中 wwan wman wlan wpan 0.01 0.11101001000 ieee 802.22 ieee 802.20 wimax ieee 802.16 wifi 802.11 802.15.3 802.15.3a 802.15.3c bluetooth 802.15.1 zigbee 802.15.4 传 传 输 输 范 范 围 围 数据传输率数据传输率（ （mbps） ）在甲烷吸收峰上， wwan wman wlan wpan 0.01 0.11101001000 ieee 802.22 ieee 802.20 wimax ieee 802.16 wifi 802.11 802.15.3 802.15.3a 802.15.3c bluetooth 802.15.1 zigbee 802.15.4 传 传 输 输 范 范 围 围 数据传输率数据传输率（ （mbps） ）在不吸收处。两波长的光分别经过气室后的输出 信号之比与光源强度波动以及气室中粉尘沉积等因素无关。只是对于光源中心波长的漂 移以及滤波片性能的影响无能为力。谐波检测法：将窄带光源波长对准待测气体某一吸 收峰，用正弦信号对激光波长进行调制，调制后的激光通过待测气体，由于气体吸收效 中北大学学位论文 5 应，波长调制转换为强度调制，当激光中心波长对准气体吸收峰的中心处时，输出光包 含有调制频率的二次谐波信号，而且信号幅度正比于气体的浓度。通过提取二次谐波， 来实现气体浓度的测量。与差分吸收法相比，谐波检测法具有更高的分辨率。采用锁相 放大技术，可以实现对微弱的二次谐波信号进行提取，从而实现气体浓度的高灵敏度测 量。 1.3 物联网简介 物联网是通过信息传感设备，按约定的协议实现人与人、人与物、物与物全面互联 的网络。其主要特征是通过射频识别、传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互 联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处 理，从而提高对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。现阶段，其应用主要 为传感网。 物联网技术和产业的发展将引发新一轮信息技术革命和产业革命，是信息产业领域 未来竞争的制高点和产业升级的核心驱动力。加快发展物联网产业不仅可提升信息产业 核心竞争力、发展创新型经济的战略选择，也是改造提升传统产业、促进两化融合、 提升社会信息化水平的重要抓手，对经济发展和社会生活都将产生深远影响。 随着信息采集与智能计算技术的迅速发展和互联网与移动通信网的广泛应用， 大规 模发展物联网及相关产业的时机日趋成熟，欧美等发达国家将物联网作为未来发展的重 要领域。美国将物联网技术列为在经济繁荣和国防安全两方面至关重要的技术，以物联 网应用为核心的智慧地球计划得到了奥巴马政府的积极回应和支持，其经济刺激方案 将投资 110 亿美元用于智能电网及相关项目；欧盟 2009 年 6 月制定并公布了涵盖标准 化、研究项目、试点工程、管理机制和国际对话在内的物联网领域十四点行动计划。 我国早在十多年前就开始了物联网相关领域的研究，技术和标准与国际基本同步。 清华大学、北京大学、北京邮电大学、中国科技大学、中国科学院等高校科研院所以及 华为技术、中兴通讯等企业在物联网及相关领域进行了科研和产业化攻关，突破了一批 关键技术，形成了一定产业规模，并在国际标准制定中取得一定话语权。智能交通、智 能安防、智能物流、公共安全等领域的示范应用在北京、上海、广东、浙江等其他省市 已初步展开。 中北大学学位论文 6 浙江省是国内物联网产业起步较早和相对集中的地区，在技术标准、市场应用、人 才资源等方面拥有一定的先行优势。一是在技术和标准方面，中科院无锡高新微纳传感 网工程技术研发中心等单位在国内较早地开展了物联网核心技术研发、科技成果转化、 应用示范推广等工作，在国际国内相关标准制定中发挥着重要作用。二是传感器、集成 电路、智能计算、无线通信、软件和信息服务业等产业基础较好，初步形成了以无锡为 核心，苏州、南京为支撑的物联网产业聚集区，2008 年全省物联网产业实现销售收入约 为 300 亿元。三是在物联网软硬件、系统集成等环节拥有中电科技十四所、南京大学、 东南大学、南京邮电大学、南京航空航天大学等高校科研院所，以及美新半导体、南瑞 集团、三宝科技、熊猫电子、双桥传感器等一批骨干企业，技术创新与市场应用能力较 强。四是在物联网应用领域，省内部分地区先后启动了工业、农业、环保、电力等领域 的物联网技术研究和应用。移动、联通、电信等运营商开始提供电力、交通、农业、环 保等领域的物联网运营与服务，市场应用正在逐步培育。此外，我省的科教资源优势、 开放优势和培育壮大新兴产业的经验优势也为物联网技术和产业快速发展奠定了较好 基础。 同时应当看到我国物联网产业发展总体上仍处于起步阶段， 在关键技术、 网络架构、 行业应用等许多领域与世界先进水平还有一定差距。发展中仍存在不少问题，主要表现 为企业规模普遍较小，技术标准缺乏，创新体系不完善，应用领域不广、层次偏低，运 营模式不成熟等。关于物联网技术的理论和应用研究在各行各业都有着广泛的需求和巨 大的市场。 1.4 物联网技术的发展现状 物联网，指的是将各种信息传感设备，如射频识别(rfid)装置、红外感应器、全球 定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其中非常 重要的技术是rfid电子标签技术。以简单rfid系统为基础，结合已有的网络技术、数 据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比 internet更为庞大的物联网成为rfid技术发展的趋势。物联网用途广泛，遍及智能交通、 环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健 康等多个领域。预计物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪 中北大学学位论文 7 潮。有专家预测10年内物联网就可能大规模普及，这一技术将会发展成为一个上万亿元 规模的高科技市场。 无线传感器网络是一种无中心节点的全分布系统。通过随机投放的方式，众多传感 器节点被密集部署于监控区域。这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元、通信模 块以及能源单元，它们通过无线信道相连，有组织地构成网络系统。其目的是协作地感 知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息并发送给观察者。无线传感器网络集 传感器技术、微机电系统（mems）技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信 息处理技术于一体，因其广阔的应用前景而成为当今世界上备受关注的、多学科高度交 叉的热点研究领域。 目前在矿井安全方面虽有大量的研究，但还没有大规模的网络化实现安全监测，所 以将无线传输网络应用于矿井下是有较高的应用价值的。在矿井下，瓦斯（主要成分是 甲烷，它的化学元素符号是ch4，一种无毒、无味、无颜色，可以燃烧的气体）浓度是 是否可以安全采矿的重要指标。同时，井下的各个参数对于井下安全也有着重要作用， 比方说温度、湿度等等。在这里监测那些对于矿难事件发生的主要参数具有重要意义。 其中最为重要的两个参数就是瓦斯浓度及温度参数，因为大多数矿难事件都是由于瓦斯 浓度达到爆炸上限而没有及时报警或者通风等等原因所造成的，而温度对于瓦斯的起燃 点有着重要影响，同时从另一个方向反映了瓦斯浓度是否超标，所以如果能够及时准确 的采集这两组数据就可以更快、更早的预测矿难事件，从而避免灾难的发生。 随着物联网技术的日益发展，其应用越来越被各行各业所接受。煤矿物联网监控作 为一个特殊使用方式也逐渐被广大用户看好。其安装方便、灵活性强、性价比高等特性 使得更多行业的监控系统采用无线监控方式，建立被监控点和监控中心之间的连接。物 联网技术已经在现代化小区、交通、运输、水利、航运、治安、消防等领域得到了广泛 的应用。 无线监控和传统的监控方案相比，具有以下三大优点： 1、综合成本低。只需一次性投资，无须挖沟埋管，特别适合室外距离较远及已装 修好的场合； 在许多情况下， 用户往往由于受到地理环境和工作内容的限制， 例如山地、 港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布线工程带来极大的不便，采 用有线的施工周期将很长，甚至根本无法实现。这时，采用无线监控可以摆脱线缆的束 中北大学学位论文 8 缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力强，迅速收回成本的优点。 2、组网灵活，可扩展性好，即插即用。管理人员可以迅速将新的无线监控点加入 到现有网络中， 不需要为新建传输铺设网络、 增加设备， 轻而易举地实现远程无线监控。 3、维护费用低。无线监控维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维护 系统。 现有的大多数煤矿采用的报警、 通信措施都是有线传输， 不但不方便， 而且不安全， 而无线传输网络可以解决这个问题，这样既不会出现由于有线磨损造成的安全隐患，也 不会出现矿井下某个区域通信脱节的状况。所以如果能将无线传输设备应用于矿井下将 会有非常大的应用价值及潜力，当然多年来众多研究人员没有这样做也是有原因的，无 线设备的价格较高，矿井下行道的结构复杂都是影响整个传输过程的关键因素，所以这 也是这个系统的核心技术之一。 中北大学学位论文 9 2. 矿井下瓦斯监测的总体设计 2.1 系统的整体设计要求 为了减少矿难事件的发生，保证矿工的生命财产安全，我设计了一种矿井下瓦斯无 线监测装置， 同时将瓦斯浓度、 温度检测得到数据， 再应用无线模块将数据传输给电脑， 最终将矿井下的温度、瓦斯浓度信息显示在电脑上。通过我设计的装置可以快速的检测 矿井下的瓦斯浓度是否超限并显示在电脑上，从而提前预防可能发生的矿难。 由于矿井下应用的特殊性，在许多方面都有特殊的要求，以下将从几个方面介绍一 下整个系统的注意事项： 首先，是安全方面，为探测器及无线发射模块供电不能太高，选用的电池可以长时 间供电（实际上要求超过一个工作周期即可） ，这就要求这个电路系统的功耗不能太高， 并且不存在漏电放电现象等，也就是说供电电压要求较低。 其次，为了适应矿井下恶劣的工作环境，探测器的