毕业论文基于无线传感网的矿井环境监测系统设计(原创)

1、 本科毕业设计说明书（论文） 第 33 页 共 33 页1 绪论1.1 选题意义和背景矿井的内部有害气体众多，对身心都有巨大的影响。当煤矿井下发生事故时，由于工作环境，人流量都会有极大的影响，还有矿井内的各种危险因素对矿井安全生产和人员及时及时解救有重要意义。矿井内部比较复杂，监测亦成为一大重要问题。无线传感器网络是一种效率很高，成本不高的解决手段，但是其通信范围、网络结构和路由算法等问题需要根据矿井的具体结构来进行规划，所以在矿井安全监测方面运用无线传感网络是有优越性的，不但为矿井安全的管理极易人员的救援有极大的帮助，也为今后的矿井安全监测提供有力的手段1.2 国内外矿井监测系统发展及研究现

2、状国外的矿井监测技术起步于二十世纪中叶，到现在已经发展了将近六十多年了，根据技术特性来分析，其发展可以根据信息传输方式的变化具体分了4阶段2。 阶段一：1960年左右，当时西方煤矿中的运输机、固定重型设备等的控制大部是通过传输空分制信号的方法。法国 CTT 63/40系统是比较成功的，监测点较多，安全系数也提高了阶段二：晶体管电路随后开始发展，频分制信号传输方式开始盛行阶段三：集成技术在70年代开始出现，以时分制信号传输的第三代煤矿监测系统产生了，该传输方式系统使得抗干扰性能强了，另外还有系统配置灵活、结构较为简单的优点。 阶段四：在80年代末，计算机开始发展，煤矿安全监测系统朝着网络化、集成

3、化、开发性方向发展起来。加拿大600型系统是当时最具典型的代表。 由于历史的原因，我国的煤矿监测技术起点较低、起步晚。我国早期主要是从西方一些发达国家引进了安全监测技术。结合实际情况，陆续的研发出了一写经典的检测系统，比如KJ2、KJ13、KJ38等监测系统 3。由于条件的限制，扩展性能、技术维护等方面还是不成熟，导致成本加大，维修工程大等问题。该阶段这些系统主要是通过地面上的主站、矿井下的分站、多种传感器和电缆来实现井下环境各参数的监测，并且由地面单微机监测已朝着网络化方向发展。1.3 我国的矿井监测系统存在问题分析由于我国的煤矿监测技术起点低、起步较晚。总体而言，我国的矿井监测系统现阶段需

4、要解决的难题如下：(1). 人员安全的具体身体状况无法检测。矿井安全主要体现在人员的健康状况，要确定井下人员的安全必须能将人员的身体状况监测到。(2). 传感器不具备移动能力，且在节点少的情况下，一但出现节点失效，就会影响整个监测系统。(3). 由于使用的是有线通信方式，导致在遇到线路障碍，会产生数据的丢失，系统可靠性就会满足不了要求,使其不能满足应用要求。(4). 网络扩展性差。 (5).定位也是一大问题，由于矿下信号差，导致无法及时获取井下人员的及时情况。基于以上现状，建立符合要求的智能化可扩展监测系统是非常重要的，在矿井监测系统中引入新兴的无线传感器网络技术，实现对矿井环境的实时性、准确

5、性监测，能够有效解决现代化矿井的上述问题。1.4 本文内容章节结构安排第一章为绪论，综述课题论文的背景和意义，国内外研究现状、概况，并给出了论文的章节内容和框架。第二章对整个监测系统总体的设计进行了大致的介绍，包括系统的设计目标和要求，系统的整体结构和无线传感器网络及其关键技术。第三章在分析矿井环境监测应用的基础上，分析了WSN节点的设计方法和要求，并且结合设计方法和要求研究了传感器节点大体的设计方案，同时分模块地对该系统各功能进行了分析和设计。 第四章主要给出了检测系统软件程序的流程和实现，具体主要包含了主程序的设计、温湿度感知程序的设计以及子节点数据发送程序的设计。第五章使用MATLAB对

6、该系统进行仿真，并对仿真的结果进行分析。2 系统总体设计2.1 矿井环境监测系统需求分析矿井安全的重要的测控指标主要有环境信息，温度、湿度和瓦斯浓度。对井瓦斯浓度的检测，是矿井安全的一个重要的指标。瓦斯是矿井安全的大敌，其主要成分是以甲烷（CH4）为主的有害气体。瓦斯爆炸的最低极限虽为5%，但矿井情况复杂，有时会降到 3%，为了保证安全、1%就停止作业。监测系统多为传统的有线线缆连接及布线，这成本不仅高而且操作不便。无线传感器检测网络，在瓦斯浓度超过1%时提出报警，同时矿井内部设置固定节点也能同时进行检测，并将信息汇总到网络协调器，最终由网络协调器传送到地面的监测中心进行监测。基于我国的煤矿监

7、测技术起点低、起步较晚的弱点。检测系统主要是由欧洲和美国引进。同时结合我国煤矿的实际情况改善了这些检测系统。经过实践表明，矿井安全监测系统是对煤矿安全生产和管理的重要屏障4。2.2 系统的设计目标和要求2.2.1 系统设计目标利用无线传感器网络技术对矿井内的化学有害气体以及物理因素进行监测，实现实时了解矿井内部环境，以此预防瓦斯爆炸、有害气体侵害矿井工作人员的事故发生、2.2.1 系统设计要求(1). 准确性 (Accuracy)误差根据具体的环境条件控制在某一个范围之内，矿井内的情况应能及时反应出来。(2). 可靠性 (Reliability) 系统在各种环境中都能可靠运行，包括环境复杂、多

8、变的情形。(3). 及时性 (Betimes)能够对监测信息的迅速变化作出反应。(4). 适用性 (Applicability) 系统能适合在矿井的各种复杂环境中工作。(5). 实用性 (Practicability) 。2.3 系统的整体结构以及流程2.3.1监测系统的整体结构介绍图2.1为矿井监测系统的整体结构示意图。图2.1 监测系统整体结构示意图(1). 采集与传输系统数据采集与信号传输系统主体包含三个部分：1.移动节点2.路由节点以及3.汇聚节点。路由节点被固定在巷道的支撑架上，主要负责多跳转发数据，另外还能够测量矿井空气中的瓦斯等气体。(2). 数据监测管理系统对矿井内部的传感器采

9、集到得数据进行保存和分析，得出是否超标以及矿井内部是否安全以及是否拉响警报等等功能。2.3.2监测系统的数据处理的过程矿井监测系统对于采集到得数据得详细处理过程如图2.2所示。数据采集、发送数据多跳转发汇聚节点接收数据并传给数据监控中心监控中心接收并保存数据检测中心分析数据并呈递结果图2.2 数据监测系统数据处理的过程首先位于矿井的传感器节点感知井内需要进行监控的数据，然后该信息监测中心把汇聚过来的数据放到指定的数据库中，接下来对数据库里面的数据进行更进一步的分析，反映矿井环境的真实情况，之后将该情况告知负责监测的管理员。2.4 无线传感器网络及其关键技术2.4.1 无线传感器网络简介无线传感

10、器网络，顾名思义，指的就是在一个监测现场中使用大量特定具有功能配置的传感器感知节点，这些节点通过使用无线通信从而实现自己组网并且建立了一个一跳乃至多跳的无线网络系统。该系统可以实现节点之间的信息交互。无线传感器网络技术的研究和实现，给很多应用领域带来了新的契机，应用前景非常的广阔。不仅包括在军事国防、工业现场、农业生产等现场，而且在智能交通、日常生活等等领域都有非常高的实用价值4。无线传感器网络技术的飞速发展和应用对社会产生了积极的影响，人们对家庭环境和办公环境的要求也进一步升高，无线传感器网络的出现让人们受益匪浅，保护矿井环境安全必将是一种明智而实用的选择。2.4.2有线/无线传感器网络传统

11、的有线传感器网络最大的特点是传感器都拥有固定的位置，导致传感器节点很难拆卸、安装的情况，而且网线虽然能够传输数据，但是在一些环境条件极差的地方，信号线传输并不可靠，极易损坏，另外网线成本高、布线困难、维护成本高等也是限制有限传感器网络进一步发展的障碍。与之相比，无线传感器网络最大的特点是使用无线进行数据的传输。其优点如下：（1）采集更为准确感知数据，能够直观地反映出监测环境现场的各种参数状态的变化；（2）更好的实时性。针对危险领域和无人值守的自动监测的环境，无线传感器网络的优势相比于有线网络更加的无可比拟2.4.3 无线传感器网络的结构无线传感器网络具体来说包含了下面的三种节点：1.传感器、2

12、.数据汇聚节点和3.负责管理的节点。传感器节点的主要任务就是组建自组织的无线传感器网络，这些节点部署在检测环境现场中，能够利用无线通信的方式来建立自组织的网络并通过一跳或者多跳的方式进行信息的传输，通过这种方式，将传感器节点感知到的各种监测环境现场的参数值传送、汇聚到数据汇聚节点，最后通过网络将这些数据信息呈现在管理者面前。体系结构如下图。图2.3 无线传感器体系结构2.4.4 传感器网络的特点(1). 传感器节点材料成本较低，性价比高。由于集成度很高的传感器各部分节点的存在,故体现出了体积小的优点。成千上万个传感器节点组成了传感器网络,由于传感器网络节点的耗能低,计算和存储能力、通信能力有限

13、, 单个节点的制造成本因此降低了,从而降低了网络的总体成本, 无线传感器网络的竞争力因传感器节点体积小,成本低而提高了。(2). 由于大数量的传感器节点，导致容易失效, 因此自适应性是必须具有的属性。根据对传感器节点实际应用要求, 从上千个到数万个数量不等甚至更多的传感器节点会被应用。而且, 比较恶劣的工作环境是传感器网络一般所工作的环境, 节点失效或有新节点加入网络是经常发生的事,这样引起动态变化的网络拓扑结构,因此, 很好的可靠性和自适应性是传感器网络应具有设计。(3). 网络寿命的关键是电源能量。恶劣环境或人不宜到达的区域是无线传感器网络通常部署的区域, 在有限的电池能量,且能源一般无补

14、充的情况下,传感器节点电源能量的原因经常会引起传感器节点失效或丢弃,因此设计传感器节点考虑关键因素必须包括如何提高电源效率。(4). 传感器网络的核心是数据管理与处理。以数据为中心是无线传感器网络最鲜明的特点5，这要求对感知数据的管理和处理为核心成为传感器网络的设计所必须的，紧密结合数据库技术和网络技术，使得建立一种依据数据为中心并且性能极高的网络系统变成可能，逻辑概念和软、硬件两个方面的知识是我们必备的能力。(5). 相关网络的应用。对传感器网络技术的研究应针对每一个具体的应用背景而应用,同时也是传感器网络在设计上不同于传统型网络的重要特征。2.4.5 ZigBee技术由于自动控制和远程控制

15、领域都有广泛应用, 各种设备中都可以嵌入ZigBee技术,同时功能包括支持地理定位。一般情况下，设备的复杂度、功耗以及系统成本随着通信距离的增大而增加。与目前所拥有的各种无线通信技术相比较ZigBee技术所具有短距离、复杂度低、功耗低等等的特点，使得ZigBee技术能够在承载数据流量不大的业务中得到非常广泛的应用。其主要技术指标如下表：表2.1 ZigBee技术主要指标6特性取 值数据速率863MHZ、20kbps；915MHZ；2.4GHZ、250kbps通信范围10-75m通信时延15-30ms信道数868/915MHZ、11；2.4G、16频段868/915MHZ和2.4G寻址方式64b

16、it的IEEE地址、16bit的网络地址信道接入CSMA/CA和时隙化的CSMA/CA温度-40-85(1). ZigBee技术的特点7(a). ZigBee技术数据传送速度较低：在低传输方面具有重要的应用，一般在10k字节/秒到250k字节/秒范围内波动。(b). 低功耗：当ZigBee技术处于低耗电待机模式下时，6个月到2年是两节普通5号干电池使用范围，这样就不用经常性的充电或者频繁更换电池。这也是支持ZigBee技术的人所一直为其骄傲的独特优势。(c). 低成本： 传输速率低的ZigBee数据协议，因此大大降低了构建网络成本，并且ZigBee是开源的，没有任何的专利费用。(d). 大容量

17、的网络：每个ZigBee网络最大支持的设备数是小于等于255。(e). 较短的时延：一般在 15毫秒至30毫秒之间延时。(f). ZigBee技术的安全：ZigBee技术通过使用AES-128加密算法，提供了检查和鉴权数据的完整性功能。(g). 小范围有效：一般覆盖范围在1075米之间有效，但具体情况可依据实际发射功率的大小和不同情形下多样化的应用模式而决定，对于普通的中小家庭还有办公室区域。可是实现全面的无线信号的覆盖。(h). 灵活的工作频段：免执照频段作为使用频段，主要包括2.4GHz（全球性）、868MHz(主要欧洲国家)另外还包括915MHz(美国)为常用的工作频段8。(2).与其他

18、无线通信技术（短距离）短距离、低速率是无线网络ZigBee技术的特点，而一个网络是由几个协调器一起形成，这样ZigBee就可以构建数量可观、面积较广的通信网络。ZigBee与蓝牙和Wi-Fi的技术区别如下表所示。表2.2 短距离无线通信技术 9市场名标准ZigBee802.15.4蓝牙802.15.1Wi-Fi802.11bGPRS/GSM1xRTT/CDMA应用重点检测&控制电缆替代品Web，E-mail，图像广阔范围，声音，数据覆盖距离（米）100+10+1-1001000+使用频道2.4GHz（全球）915 MHz(美国)868MHz（欧洲）免费频段2.4GHz免费频段2.4GH

19、z免费频段900 MHz1800 MHz1900 MHz付费频道系统资源4KB-32KB250KB+1MB+16MB+带宽（Kb/s）10-25072011,000+64-128+电池寿命（天）100-1000+一星期0.5-51-7网络节点数255/650007321成功尺度可靠，低功耗，价格便宜价格便宜，方便速度，灵活性覆盖面达，质量(3). ZigBee技术在矿井环境中应用的可操作性由于井下通信有一些特殊要求，比如这些传感器节点可以根据需要允许矿井工人随身携带在身上，因此采用ZigBee技术比较合适。以下分析了ZigBee技术的可行性。(a). 2.4GHz的通信频段2.4GHz频段无线

20、技术最大可传输距离为十米。所说的2.4GHz事实上表示的是一个无线信号的工作频段，这个无线频段可以供全世界公开的通用，无线蓝牙技术就是在2.4GHZ上工作的。另外，该频段下工作，无线设备的使用范围以及防干扰能力能够得到更大的体现。 (b).低成本、高性价比的优点一般煤矿井下的巷道都很曲折，不利于无线信号的长距离传输，因此布置大量的传感器节点是非常必要的，功耗低、成本低是ZigBee技术拥有的优点，这些优点极大的促进了无线传感器网络在井下环境检测中的应用，另外，ZigBee技术采用CSMA/CD竞争策略，能够探测能量和链路的质量，正确评估信道的使用情况，支持分片重组等等功能，毫无疑问，这些功能帮

21、助矿井安全监测提供了切实的方案，并且高度可靠。(c). 完全适应采用无线来监测现场的要求无线监测系统结合了监测数据以及无线传输这两个技术，通过该系统能够把多个地方的现场数据信息实时地汇聚到无线监测中心处来。ZigBee技术从研发设计层面上就是面向无线监测这个应用领域的，ZigBee很大程度上迎合了无线监测应用的需求，具体包括：首先，大规模的节点需求并且成本不能太高；其次，能够支持较长时间供电并且电池价格低廉；第三，能够自由弹性组网，安装简便，有较强的可扩展性。由上可得，将ZigBee技术应用于矿井环境监测是可行的。2.5 小结本章主要介绍了系统的总体设计，包括系统的设计目标和要求，系统的整体结

22、构和无线传感器网络及其关键技术，为下面矿井监测系统的设计做铺垫。3 矿井环境监测系统具体设计3.1 传感器节点结构为了对矿井内的环境进行监测，并能即时收集数据，传感器网络里面的节点包括下面四个模块：（1）传感器模块（2）微型处理器模块（3）通信模块（4）电源模块结构图如下图所示。图3.1 传感器节点结构3.2 传感器节点详细设计监测系统的传感器节点结构如图3.2所示，下面对主要模块进行详细阐述。图3.2 检测系统传感器节点示意图3.2.1 处理机模块本文使用艾特梅尔公司的Atmega128L微处理器，它是基于精简指令集计算的，指令长度的单位是字节，取指令周期短，又可对指令进行预读取。ATmeg

23、al28L的封装图如下图所示。图3.3 ATmega128L封装图特点9：(1). 领先的精简指令集（RISC）的结构(2). 拥有大量的外围设备I/O口，用于输入输出控制信号和数据信号(3). 出色的低功耗处理能力。3.2.2 传感器模块瓦斯（CH4）传感器、温湿度（Temp-humi）传感器等是本文设计的主要传感器，对矿井内部环境的信息进行感知。(1). 温度（temp）传感器采用的是数字化温度感知芯片DS18B20 11，DS18B20的优点是：外部的接口非常简单，DS18B20的引脚具体为：1.引脚1用来接地(GND)，2.引脚2主要用于传输数据(DQ)，3.引脚3用于供电(VDD)，

24、这一个引脚只是一个可选项。实物如下图。图3.4 DS18B20实物图DS18B20采集数据的过程和步骤如下：首先初始化DS18B20，可以通过发送复位脉冲信号来实现，然后向其发送ROM的功能命令。下面是终端传感器节点采集温湿度程序，其部分读数据代码如下：/*函数read_18b20 作用:读取DSl8B20采集的数据*/Uint16_t read_18b20(void)Uint16_t i， dat=1， /*用于存储读到的数据dat*/SET_OUT ；For (j=0；j<8；j+dat>>=1；CLR_DQ；_delay_us(5)； /拉低5微秒SET_IN； /定义

25、成输入，读入状态_delay_us(5)； /等18b20响应if(DQ_IN) /读状态，将采集到的数据放入dat中dat|=0x80； /放到最高位_delay_us(80)；SET_DQ；SET_OUT； /再次定义成输出，return dat； /返回测量到的值(2). 瓦斯（CH4）传感器感知瓦斯（CH4）的浓度是矿井安全的一个重要内容，因此需要对瓦斯（CH4）传感器的输出信号进行精确的设计，确保数据的准确度。具体电路图如图3.5所示：图3.5 瓦斯传感器3.2.3 无线射频模块采用CC2420芯片。CC2420采用QLP-48封装，内部有将近五十余个寄存器。如图3.6所示：图3.6

26、 CC2420封装图通过串行外设接口的处理器ATmegal28L来和CC2420进行通信，并交换数据。下图显示了CC2420的接口电路。图3.7 CC2420与ATmega128L连接接口3.2.4 汇聚节点设计功能：（1）汇聚传感器节点的感知数据信息；（2）向无线传感器网络发送监测命令或者其它的一些指令；（3）将汇聚的传感器感知数据信息转送到上面的信息处理中心。总而言之，在该监测系统中，汇聚节点的作用就是地面系统和地下系统交互的桥梁。汇聚节点的结构如下图：图3.8 汇聚节点结构由图可得，汇聚节点分为两大部分：1.无线通信部分；2.数据处理计算机。无线通信部分主包括RF射频模块、微处理器模块以

27、及电源模块三个小部分。无线通信部分主要用于数据和命令的收发，数据处理计算机部分则是起到初步处理汇聚到的监测数据信息的作用。数据处理计算机功能：(1). 数据的接收；(2). 指令的发送；(3). 数据的处理；(4). 数据的发送，将监测到的信息经过网络发送至控制中心。其中，微处理器单元和计算机可以使用串行接口进行通信，常用的芯片为MAX3232E。其与ATmegal28L的连接方式见图3.9所示。图3.9 MAx3232E与ATmega128L连接接口3.3 信息监测中心设计3.3.1 信息监测中心的功能(1). 接收感知到的矿井检测信息。(2). 存储这些数据信息，(3).分析处理信息，得出

28、矿井是否安全、是否需要拉下报警等等结论。3.3.2 信息监测中心的结构监测中心系统结构如下图。图3.10 监测中心系统结构3.3.3 监测系统功能模块检测系统的模块大致包括五部分：1）.实时显示模块、2）.数据查询模块、3）.数据统计模块、4）.告警管理模块5）.系统维护模块其结构如下图。系统登录实时显示数据查询系统维护警告管理数据统计图3.11 监测系统功能模块结构示意图3.4 小结本章针对矿井内部环境监测的应用提出了无线传感器网络节点的设计要求，并根据设计要求提出了传感器节点的设计方案，同时也对系统各功能模块进行介绍。4 矿井环境监测系统的软件设计4.1 节点主程序设计主程序主要功能：1）

29、网络的建立；2）地址的分配和新的成员的加入；3）节点设备数据的更新；4）数据转发。其流程见图4.1。系统初始化开始建立网络无信号对网络进行监测给该节点分配网络地址主循环检测井下的无线信号有节点加入网络将数据上传给上位机图4.1 主程序流程图其中，节点感知信息并将相关数据无线传给上位机的部分程序如下：PRIVATE void vTxSerialDataFrame(uintl6 u16NodeId, uintl6 u16Humidity, uintl6 u16Temperature, uintl6 u16BattVoltage)printf("nrnrAddress=%x",

30、u16NodeId);/读取地址信息 printf("nrTemperature=%d", u16Temperature);/读取温度信息 printf("nrgas = %d", u16gas);/读取瓦斯浓度信息 4.2 温湿度采集终端节点的程序设计终端节点的功能为：1.网络通信功能部分；2.数据采集部分。程序设计如下：开始检测温湿度值否读取结束？状态是否正在读取检测状态是否空闲否否是是是否读取结束？调用温湿度读取函数保存读取值是读取状态设为结束读取状态设为结束结束图 4.2 温湿度采集程序流程图PRIVATE void vReadTempHumid

31、ity(void) switch(sTempHumiditySensor. estate)/检测传感器状态 case E_STATE_READ_TEMP_HUMID_IDLEvHTSstartReadHu ; sTempHumiditySensor.eState=E_STATE_READ_HUMID_RUNNING; /并将状态设为:“正在读取” break； case E_STATE _READ_HUMID_RUNNING: /如果状态为“正在读取” if (u32AHI DioReadInputQ&HTS DATA DIOes BIT'-MASK)一 0) /判断是否读取结

32、束 sTempHumiditySensor.estate=E_STATE_READ_TEMP_HUMID_COMPLEE; break;4.3 数据传输子节点程序设计数据传输子节点的程序流程图如下：开始初始化读取采集到的数据值否计算值大于发送周期数值读取完毕是否调用发送数据子程序是计数值加1设定系统调用条件结束图 4.3 传输数据程序流程图工作核心源程序为： PRIVATE void vAppTick(uint8 u8Param) static bool_t bToggle;/设定闪烁标志 /*Read sensor data*/ vReadTempHumidity();/读取温湿度 vRea

33、dBatteryVoltage();/读取电池电压 if (uBAppTicks+>APP DATA SEND_PERIOD) if (sBattSensor.eState= E_STATE_READ_ BATT_VOLTS_READY)&& (sTempHumiditySensor. estate=E STA'TE_READ-TEMP_HUMID_READIQ) / LED1 闪烁表示节点为激活状态 if (bToggle) LED_1_ OFF; else LED _!_ON; bToggle=!bToggle; u8AppTicks=0;/初始计数为 0 /

34、*Transmit data to coordinator*/ vSendDat();/发送数据给协调器 sBattSensor.eState= E_STATE_ READ_BATT_ VOLT_IDLE; sTempHumiditySensor.eState= E _STATE_ READ _TEMP_ HUMID_IDLE;/将温湿度传感器状态置为空闲 BOSStartTimer(vAppTick,0, (APP _TICK_ PERIOD ms / 10); /当时间到 APP_ TICK _PERIOD _ms 时，调用程序 vAppTick. 4.4 小结本章主要介绍了无线传感器网络

35、节点的软件流程的设计，包括主程序的设计、温湿度采集程序的设计还有子节点数据发送程序软件设计。5 矿井环境监测系统仿真5.1 概述模拟仿真是作研究使用的一种非常重要的方法，通过使用定制的一些软件，实现通信网络的模型建立，运行程序，从而模拟出网络的运行状况，分析、验算理论的算法或者通过仿真得出结论是否可行。5.2 MATLAB 7.0仿真工具简介5.2.1 MATLAB工具特点(1).良好的工作平台和编程环境友好 MATLAB有较强的人机交互能力，操作非常之方便。(2). 简单易用的程序语言MATLAB是一个高级的距阵/阵列语言,新版本的MATLAB语言与C+语言的语法特征相似，简单易用，在现实中

36、得到了广泛应用。 (3). 出色的图形处理功能 MATLAB 对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使得 MATLAB 在图形的光照处理、色度处理方面同样表现了出色的处理能力。5.2.2 MATLAB7.0图形用户界面 制作GUI需要包括下面两个步骤：1.界面设计，2.程序实现， (1). 分析和研究需要该界面实现的功能有哪些。 (2). 开始手绘一个界面的草图，并对绘制的草图进行仔细的审查。(3). 上机制作（静态）界面。在MATLAB主窗口中，选择“File-New”菜单命令，再选择其中的“GUI”项。此时就进入了GUIDE的开发环境。如图5.1：图5.1 “GUIDE Quick St

37、art”对话框点击选项“Open Existing GUI”，得到如图5.2所示的界面视图。图5.2 编辑界面5.2.3 MATLAB7.0 TrueTime工具箱TureTime工具箱包含了下面的主要四个部分，如图5.3所示：图5.3 TrueTime 主要模块(1). 计算机模块(TureTime kernel)。(2). 无线网络模块(TureTime wireless network)。(3). 有线网络模块(TureTime network)。(4). 电池模块(TureTime battery)。5.3 仿真过程5.3.1 仿真模型构建利用MATLAB构建一个瓦斯闭环反馈控制系统

38、，并进行仿真。瓦斯闭环反馈控制系统包括以下控制部分： 甲烷传感器; 通风机控制器; 控制系统。基于无线传感器网络的瓦斯闭环反馈控制系统如图5.4 所示。图5.4 基于WSN的瓦斯闭环反馈控制系统输入信号是一个简单的时间函数，其值仅仅包含了On 以及Off 这两个值。图中控制器的输入信号即可表示为OnOff：TimeOn，Off。取时间变量Time为非负实数，即Time = R +，则输入信号区间为OnOffProfiles =R +On，Off。通风机输出的信号可以表示为Blow，其中： R + 0，Bc 。输出信号区间BlowProfiles为BlowProfiles =R +0，Bc。因此

39、，通风系统函数描述为Blower：OnOffProfilesBlowProfiles。输出信号是巷道瓦斯浓度Tunnel Gas。Tunnel-Gas：R +min2，max2。Gas 和Tunnel Gas 的阈值分别为： Gas Profiles = R + min3，max3 ; Tunnel Gas Profiles = R + min4，max4。巷道可用Tunnel 函数描述为Tunnel：Blow Profiles×Gas ProfilesTunnel Gas Profiles。同理，传感器可以被描述为Sensor： Tunnel Gas ProfilesSensed

40、Gas Profiles，其中：Tunnel Gas Profiles 为输入信号; Sensed Gas Profiles 为输出信号，Sensed Gas Profiles =R +min5，max5。控制器函数表示为Controller： Desired Gas Profiles× Sensed Gas ProfilesOn Off Profiless，其中，预定的瓦斯浓度Desired Gas Profiles =R + min6，max6。综上，通过反馈建立了系统检测的输入-输出状态仿真模型。当瓦斯的浓度值超过一定门限，这时就需要开启该控制反馈系统，二路的输入信号可以是CH

41、4甲烷的浓度报警值以及实际感知的CH4瓦斯浓度，一路得输出信号即为矿井内部的瓦斯浓度值。其表述为ForcedBlow：DesiredGasProfiles×GasProfilesTunnelGasProfiles。设x为输入的信号CH4瓦斯浓度的报警值，y为瓦斯实时监测的浓度值，则联立方程组(1)，消去u、v、w等变量，得到z与x、y的方程式： (1)式(2)由式(1)中w = Sensor (z)带入，对于任意z和tR + ，有： (2)根据相关规定，甲烷的浓度报警值是1. 0%，那么控制器开关量为 (3)5.3.2 仿真过程与结果分析矿井内部瓦斯的产生包括两种方式：1）普通涌出；

42、2）特殊涌出2种方式12。针对这两种产生方式分别进行MATLAB仿真。甲烷监测系统的闭环反馈系统模型如下图。图5.5 瓦斯闭环反馈系统模型(1). 瓦斯喷出。在瓦斯喷出时，B区域部分为瓦斯喷出后，系统控制瓦斯喷出的过程，瓦斯的涌出量是接近固定斜率缓慢增加的，如图5.6的a部分所展示的。系统预先设定的开启的条件是：瓦斯所占的体积分数大于或等于0. 8%，停止反馈的条件是瓦斯所占的体积分数不大于0. 6%，矿井瓦斯浓度最开始的预定值为是0. 25%。（a）瓦斯浓度变化趋势（b）通风机控制率图5.6 瓦斯喷出控制对应仿真结果图5.6a分为4个区间。 区间A：平衡状态。 区间B：瓦斯喷出过程。瓦斯所占

43、体积分数将近相同斜率慢慢增加，当大于等于0. 8%时，立即启动控制反馈系统。区间C：通风机反馈控制系统启动。通风机反馈控制系统对甲烷浓度进行控制，增加通风机的风速大小、风量以及风压，增大排出瓦斯的速度，最终使得瓦斯所占的体积分数逐步下降。最终低于0. 6% 左右的时侯，停止通风机反馈控制系统。区间D：通风机控制系统关闭。系统的工作状态重新回复正常，瓦斯所占体积分数逐渐变小，最后趋于平缓，恢复到突然喷出前的系统平衡状态。仿真结果表明该反馈系统可以有效控制瓦斯喷这种突发的现象。(2). 瓦斯突出。瓦斯突出的反馈控制如图5.7所示。（a）瓦斯浓度变化趋势（b）通风机控制率图5.7 瓦斯突出控制系统预

44、置门限值同上。对应仿真结果可以分为A、B、C、D 这四个区间。 区间A： 平衡状态。巷道瓦斯浓度趋于平稳。 区间B： 瓦斯突出过程。瓦斯体积急剧上升，过0. 8%时，通风机控制系统被触发启动。 区间C：通风机控制系统启动。在通风机的作用下，瓦斯体积分数快速下降。当低于0. 6%时，关闭通风机控制系统。 区间D：通风机控制系统关闭。系统恢复正常工作状态。仿真结果有效证明了改反馈系统能够对瓦斯喷出和突出现象这两种突发情况进行行之有效控制的，该系统的调控能力是有效和可靠的。结束语本文在介绍无线传感器网络的基础上，总结分析了无线传感器网络的体系结构和特点和其关键技术，并对ZigBee技术的特点及其在矿

45、井应用中的可行性进行了分析；从系统整体结构和数据处理流程两方面研究了矿井环境监测系统总体设计方案，给出了信息监测中心系统设计方案。仿真试验结果表明，所设计的节点在节点较多的网络环境中能够稳定运行，结果证明该系统对监测气体的控制是有效的和可靠的。另外也有众多不足之处，本文设置的瓦斯浓度在0.60.8区间范围内，范围宽度并不大，为了提高安全，技术有待改进。在浓度超出规定范围时，采用的是进行通风处理，在此基础上，本人未考虑其他突发状况和其他影响因素，考虑较单一，综合性不强，在此基础上，还是有待加强，争取做到更好。基于报警系统，个人认为自己做的不够完善，还有众多的漏洞，希望老师们提出宝贵的意见，将矿井

46、安全监测系统做到更加的完善。本文主要是针对瓦斯进行了仿真，还有其他危险指标没有进行测量，指标较单一，以后会多加改进，也希望众多研究者能更加透彻的研究。将我国的矿井安全监测系统做的更加的完善，也为矿井人员的安全做出更高的保障。致 谢感谢我的指导老师冯钧对我的精心指导。在完成毕业论文的工作中，冯老师在论文的选题、研究工作的开展等方面都提出了许多宝贵的意见，并为论文的顺利进行提供了良好的学习环境，在这里由衷地感谢老师对我的细心指导。在论文的审阅与修改过程中，老师的教导让我益匪浅。 感谢大学期间的老师在大学四年来对我的自己的教导。他们不仅教给了我知识，更是教给了我学习的方法。通过他们的帮助，在学习、生活等各个方面我才会有这么多进步。在此向他们表示我由衷的感谢，并希望老师们身体健康，事业蒸蒸日上，培养出各种人才，桃李满天下！同时感谢我的同学和朋友在四年的大学生活中对我的帮助。正是由于你们的支持和帮助，我才能够在最迷茫和困难的时候看到希望，渡过难关。在大学四年的学习生活