【隧道施工环境监测系统的无线传感器网络介绍及方案设计案例3700字】

IV隧道施工环境监测系统的无线传感器网络介绍及方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2198隧道施工环境监测系统的无线传感器网络介绍及方案设计案例 1297691.1无线传感器网络的系统结构 222971.1.1基本结构 2107551.1.2多网络融合系统结构 3138901.2开发板的选型 3239011.2.151单片机 3303911.2.2stm32 4266461.2.3Arduino 4244191.3无线收发模块 5195061.4传感器模块 6119861.4.1温湿度传感器 6266841.4.2瓦斯传感器 7171001.4.3粉尘传感器 8242241.5显示模块 822541.6蜂鸣器报警模块 91.1无线传感器网络的系统结构1.1.1基本结构无线传感器网络具有覆盖区域广泛、能够通过分布式处理大量信息提高监测的精确度、通过管理与监控中心可以实现远距离的监控以及可自组织和高容错性能的优点。一个完整的无线传感器网络的基本结构由分布在监测区域（本文监测区域为隧道施工环境）的大量无线传感器节点、具有接收和发送功能的汇聚节点、执行通信和任务的管理节点等构成，其系统结构如图1.1所示。图图1.1无线传感器网络基本结构无线传感器网络中三种节点的介绍：（1）传感器节点：一般由信息采集单元、中心控制单元、无线收发单元和电源模块这四部分组成。用于监测数据，可沿着节点逐跳地传输数据，并能通过自组织方式构成网络。但是传感器节点处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，需要通过小容量电池供电。（2）汇聚节点：用于连接传感器节点与Internet等外部网络的网关，可实现两种协议间的转换；同时能向传感器节点发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转发到外部网络上。（3）管理节点：用于动态地管理整个无线传感器网络，直接面向用户。所有者通过管理节点访问无线传感器网络的资源，配置和管理网络，发布监测任务以及收集监测数据。1.1.2多网络融合系统结构无线传感器网络数据若仅局限于网络内部传输，则不利于无线传感器网络的普及应用，必须让终端用户能够通过外部网络便捷地访问无线传感器网络采集的环境数据。通常，以移动通信网、以太网、无线局域网等为外部接入网络，将采集的数据传回管理中心。传感器节点采集感知区域内的数据进行简单处理后发送至汇聚节点。网关首先读取数据并转换成用户可知的信息，如传感器节点部署区域内的温度、湿度、加速度、坐标等，接着通过无线局域网、以太网或移动通信网进行远距离传输。一般WSN中网络节点没有统一的标记，网络节点间通过无线、多跳的方式进行数据交换，目前广泛研究的关于WSN的应用技术有：针对相应的应用场合制定相应的硬件结构，构建合理的网络架构。1.2开发板的选型开发板是用来进行嵌入式系统开发的电路板，包括中央处理器、存储器、输入设备、输出设备、数据通路/总线和外部资源接口等一系列硬件组件。开发板一般由嵌入式系统开发者根据开发需求自己订制，也可由用户自行研究设计。常见的开发板有51、Arduino、stm32系列开发板。1.2.151单片机51单片机是目前应用最广泛的8位单片机，被广泛应用于教学场合和其他一些性能要求不高的场合中，并且由于其简单易操作、众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，成为初学者最容易学习的单片机。但由于其高电平时无输出能力，AD、EEPROM等功能需要靠扩展，增加了硬件和软件负担并且51单片机的保护能力比较差，芯片很容易被烧坏。1.2.2stm32基于ARM处理器的STM32系列32位微控制器旨在为用户提供新的开发平台。它提供的产品有着非常高的性能、实时分析能力、数字信号处理能力、低功耗/低电压操作和连接性，同时有着完全集成和开发模块丰富的优点。基于行业标准核心的STM32微控制器系列提供了大量支持项目开发的工具和软件，使该系列产品成为小型项目和平台的理想选择。1.2.3ArduinoArduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，Arduino有一个完整的微控制器系统，使用标准接口和外部设备交互，并且Arduino的项目架构和开发计划已经作为开源项目向公众开放。Arduino型号包括ArduinoUno、ArduinoDue、ArduinoLeonardo、ArduinoMega、ArduinoMicro等，其中ArduinoUno是目前使用最广的Arduino分支，通过标准的Arduino接口提供了ATmegaAVR微控制器的基本功能。Uno电路板包含一个USB接口，用于模拟成串口与计算机进行通信，1个独立电源插座和1个复位按键。Uno电路板使用ATmega328微控制器，提供14路数字I/O接口，6路模拟信号输入，以及6路脉冲宽度调制（PWM）信号用于电动机控制。而ArduinoMega比ArduinoUno提供了更多的接口。它使用ATmega2560微控制器，提供54路数字I/O接口，15路PWM输出，16路模拟输入和4个UART接口，并且在ArduinoMega可以使用所有的Arduino扩展板。图1.图1.2ArduinoMega2560综上，由于单片机AD、EEPROM等功能需要靠扩展，而长大隧道中节点数量较多，如果每个节点都需要扩展，则大大增加了硬件和软件负担此外51单片机过载保护能力弱，当程序所占内存较大时，烧录程序会使得芯片烧坏，如若使用在长大隧道中，部分节点在烧录中损坏，不能及时、有效的测量整个隧道内的温度、湿度、粉尘、瓦斯等物理量，给隧道施工环境检测带来不确定性。故本课题不使用51单片机作为本设计的开发平台。stm32系列开发板虽然具有高性能低功耗的特点，但由于单个stm32系列开发板需要5美元左右，而由于本课题是应用于长大隧道中，故需要的节点数量多，其应用成本高，并且开发难度较大故stm32系列开发板并不适合于本课题。考虑到ArduinoMega2560比51单片机有更多的开发模块，比目前Arduino应用最多的Uno系列有更多的串口并且ArduinoMega2560功能强大，完全可以适配于本课题的隧道施工环境中作为主板。ArduinoUno虽然提供的串口数量比ArduinoMega2560少，但其作为应用最多的Arduino系列可以充当本课题中对开发板要求更低的副板，Uno比Mega2560成本更低。1.3无线收发模块表表1.1常见无线接收技术无线技术低功耗蓝牙ZigBeeWi-Fi红外技术传输距离30-100m10-75m1-100m1m（视距）最大数据速率305kb/s（LE）250kb/s11Mb/s4Mb/s网络节点数无限6500050无最大功耗1-3mW1-100mW100mW10mW频段2.4GHz868MHz-2.4GHz2.4GHz820nm重点应用领域电缆替代品监测和控制Web遥控技术目前ZIGBEE芯片出货量比较大的TI公司，芯片其成本均在2-3美金左右，再考虑到其他外围器件和相关2.4G射频器件，成本难以低于10美金,对于长大隧道需要用到大量节点进行监测的情况，成本过高。而Wi-Fi技术虽然传输速率高、可靠性高、可移动性好，但由于其优异的带宽是以大的功耗为代价的，因此大多数便携Wi-Fi装置都需要常规充电，这也限制了它在工业场合的推广和使用，本设计中包含多个传感器节点，如果使用Wi-Fi装置，则需要在每个节点处配置相应的大功率电源，而隧道施工环境复杂，使得Wi-Fi技术在长大隧道中的应用不太现实。在工业上很少使用红外技术的原因是IrDA只能在两台设备之间链接，并且传输距离短，存在着视距角度等问题。通过表2.1对低功耗蓝牙技术、ZigBee、Wi-Fi以及红外技术进行比较，可知低功耗蓝牙技术相比其他无线接收技术具有传输速率高、低成本、低功耗以及可连接节点多等优点，低功耗蓝牙技术是一种新型的超低功耗无线传输技术，目前国内铁路隧道应用最多的是中隧道，由表2.2可知其长度一般在500-3000米左右，每隔50m布置一个测量节点，铁路隧道按2000米计算，则需40个传感器节点，应用低功耗蓝牙能够很好的实现多节点的数据收发，并且低功耗蓝牙拥有极低的运行和待机功耗，使用一颗纽扣电池即可连续工作数年之久，不用携带大功率电源。本设计采用JDY-24M蓝牙模块，通过其自带的串口调试工具对蓝牙模块进行配对，实现无线数据的接受和发送。图1.图1.3JDY-24M1.4传感器模块本设计应用于长大隧道施工环境中，由于在隧道施工过程中往往采用深孔全断面爆破进行开挖，伴随着施工极易引起温度过高、产生粉尘，此外，内燃机械会排放气体并且视地质条件还有可能自然产生瓦斯等危害施工人员安全的有毒有害气体。故本设计针对实际隧道施工环境中可能对隧道施工人员安全造成危害的物理参数进行监测。1.4.1温湿度传感器DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保其具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此DHT11具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。能够很好的适配于长大隧道中温湿度的检测。图图1.4DHT11温湿度传感器1.4.2瓦斯传感器本设计的瓦斯报警装置选用的是ZC05甲烷报警模组，配有蜂鸣器，当空气中的甲烷含量大于报警设定值时，会触发报警功能，蜂鸣器发出声音，提醒正在施工的工作人员。并且由无线接收模块将数据传输回管理与控制中心，进行实时监测。图图2.5ZC05瓦斯报警装置图1.图1.6ZC05管脚定义1.4.3粉尘传感器粉尘传感器使用的是GP2Y10，其原理为粉尘传感器中心有个孔可以让空气自由流过，定向发射LED光，通过检测经过空气中灰尘折射后过后的光线来判断灰尘的含量。表2.3表2.3粉尘传感器标准空气质量参数对照表空气质量状态3000+很差1050-3000差300-1050一般150-300好75-150很好0-75非常好图图1.7ZPH02-PM2.5粉尘监测装置1.5显示模块显示屏选用的是2.0寸TFT液晶屏模块，采用SPI串行总线，需要4个IO口进行驱动。将TFT液晶显示模块接在面包板上，面包板左端接电源模块，使用9V电源为电源模块供电，将主板Mega的5V接口与电源模块的正极相接，主板Mega的GND接口与电源模块的负极相接，则面包板标有“+”的一排全为5V，面包板标有“-”的一排全为接地口，电源模块通过面包板为主板Mega提供电源，可以使得主板Mega不用一直连接在电脑上也能持续工作。本设计采用三个节点其中两个汇聚节点和一个管理节点用来模拟实际长大隧道施工环境