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矿山瓦斯无线传感网络控制系统
摘要：
论述了煤矿安全监控系统的发展现状及存在的问题，比较用于远程监控系统的通信技术，为本系统的设计选择了一种较优的通信方式，详细介绍Zigbee无线传感技术。
对重点技术的实现原理进行详述；然后对系统设计的详细描述；最后进行系统测试并分析测试结果，进而对本课题的工作进行总结，对系统的进一步完善提出设想。
本文阐述了无线传感器网络的关键技术，重点介绍了一种对煤矿井下瓦斯气体浓度监测的全新的无线传感器网络的设计及节点的硬件和软件设计及实现。
硬件设计主要包括瓦斯传感器、无线传输模块的设计和能量供应模块的设计：
其中详细说明了一种带有现场报警功能的新型瓦斯传感器的设计过程，它能够实现对矿井瓦斯浓度的采集和报警控制，以及信号滤波、零点漂移的抑制。
软件设计包括瓦斯气体浓度的采集，节点间的通信等。
此外，本文实现了基IEEE802.15.4/ZigBee标准的无线通信网络的设计，本设计能实现了煤矿井下瓦斯气体浓度的采集和传输，完成了无线传感器网络在安全生产中的应用，达到了煤矿安全监测的目标。
关键词：
瓦斯传感器；无线传感网；AT89C52；Zigbee;
RadioBrushlessMachineControlSystemDesignbasedonAVR
Abstract:
Asthemainconversionaldeviceofmechanicalenergytoelectricalenergy,themotorhasmainlythreetypes,suchas，theDCmotor,thesynchronousmotor,theasynchronousmotor.Becauseofhavinglotsofdisadvantages,theapplicationoftheDCmotorhasbeenlimitedstrongly.
ThebrushlessDCmotorhastheadvantageswhichincludesthesimplestructure，reliableoperationandbeingconvenient.Alloftheseaboveare possessedbyACmotor.TheyalsomaintainseriesofmeritsfromtheDCmotor.ThebrushlessDCmotoroperatesefficiently,andhasexcitedcapacityBaseonthedevelopmentofthebrushlessDCmotorandnewkind’sinstructionofelectricsandelectronics,thethesisincludesseveralparts,forexamples:
operationalprinciplesofthebrushlessDCmotorandAVRsinglechipmicroputer,thedesignofthecircuitwhichisusedtocontrolthemotor,thedesignofthesoftwareandthesummaryofthewholegraduation.Theresultsuggeststhatthedesignofthecircuitgenerallyachievesthegoalandtherequestofthethesis.
Keywords:
AVRSingleChipMicyoco;Wireless;BrushlessDCMotor
第1章绪论
1.1研究背景与意义
目前我国的煤炭产量居世界第一位，我国95%的煤矿开采是地下开采作业，而地下开采的危险性较之露天开采要大的多。
面对现阶段煤矿安全生产的严峻形势，用高新技术和先进实用技术改造传统产业，增加科技含量，促进产品更新换代，提高产品质量和经济效益，是走新型煤炭工业化道路的必然选择。
为了有效地监控和管理煤矿的安全状态，采取科学、系统、完整的措施改变我国煤矿安全现状及落后面貌，加强矿井安全生产监控技术及其方法的研究，是目前煤炭工业需要解决的迫切问题，建立信息智能化煤矿管理体系势在必行。
我们提出的这套系统设计方案，能够及时、准确地将井下各个区域人员的情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员的分布情况及各矿工的运动轨迹，以便于进行合理地调度管理。
当事故发生时，营救人员也可以根据本系统所提供的数据和图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取应的营救措施，提高救援工作的效率。
一切的理论研究都是建立在实际需要的基础上的，这也是本设计的宗旨。
本设计为了加强安全过程的管理应用了测量控制技术。
测量控制技术的作用是从生产现场中获取各种参数，运用科学计算的方法，综合各种先进技术，使每个生产环节都能够得到有效的控制，不但保证了生产的规范化、提高产品质量、降低成本，还确保了生产安全。
该系统通过传感器采集数据，再通过ZigBee无线技术可以将数据返回到地面进行处理，为各种现场传感器提供无线透明传输通道，直接或者间接将矿井内各种安全指标信息传送至ZigBee协调器,再由ZigBee协调器经AT89C52单片机进行数模转换，当超出设定的浓度，通过蜂鸣器报警，以保证矿井生产的安全与管理。
这样不仅大大节省井下的各种电缆铺设，降低硬件投入成本，而且可以有效的避免矿难的发生。
1.2发展历史与研究现状
国外研制矿井监控系统起步较早，大约开始于20世纪60年代。
20世纪70代和80年代美国、法国和英国等先后研制应用了多种型号的矿井监控系统，美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TF-200系统、法国的TT63/40系统、加拿大的森透里昂系统等，其中有代表性的一些系统已先后引进我国。
近年来由于煤矿事故的安全问题引起了政府的高度重视，我国的技术人员结合我国煤矿复杂的特殊情况相结合，先后研制出一系列监控方法。
该系列的安防产品对煤矿行业安全带来了很大的帮助，保证了矿井人员的人身安全而且节省布线成本，现在的煤矿监控系统早已经不是以前单纯的对象性检控己经是无线网，有线网等各种网络的互联，这些有线的监控关系部分环境的检测。
比如有毒有害气体，温度，湿度等，以及井下主要设备运行的状态等的监控等，具有一定程度的智能化。
但是，安全监控监测系统品牌繁多，鱼目混杂，而且生产的各种系统相互不能兼容的封闭系统，网络结构和通信模式多样，导致指挥生产和管理的部门无法及时得到相关信息，制约了这些系统综合能力的发挥，造成决策指挥不灵，严重影响了煤炭企业安全生产管理水平的提高。
很多国家的政府机构都非常重视这方面的研究，该领域是无线传感器网络产生的主要推动力量。
军事领域方面：
UCBerkeley的SmartMote的应用背景就是战场侦察系统，在未来无线传感器网络将会成为进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统；C4ISRT系统是利用先如美国的DARPA（美国国防部高级研究计划局）和NSF（NationalScienceFoundation）投入了资金支持高校和科研机构研究无线传感器网络。
uAMPS是MIT的关于无线传感器网络的一个研究，低功耗的无线传感器系统取得了在商业和军事领域非常重要的应用，从安全设备、医疗监控到机器诊断和生化检测，传感器网络极大地改进了对环境的监控。
EnvironmentalSensors将利用传感器来检测水中的大肠感菌的含量指标。
这些传感器的测量值通过分布的无线传感器网络聚集，并需要传送到基站以供进一步的分析和保存。
研究者们的重点是考虑到传感器节点有限的处理和存储能力的情况下，如何确保这些信息能被鉴别并被安全地传输，该研究在公共海岸线的污染即时检测方面有着很广的应用前景。
Zigbee无线模块是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准，是一个有关组网、安全和应用软件方面的技术标准，被称作IEEE802.15.4（zigbee）技术标准，ZigBee技术是一种结构简单、低功耗、低速率和可靠性高的双向无线网络通信技术，使用的频段为2.4GHz、868MHz及915MHz，均为免执频段，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。
由于WSN的一些固有特点，其功能和监控需求的完全结合尚须时日，仍有许多关键技术需要更深入地研究。
1.3本课题主要研究内容
本课题是矿山瓦斯无线传感网络控制系统设计，其利用单片机作为系统的主要控制器，通过瓦斯传感器检测矿山环境中瓦斯信号，再经A/D转换后，将数字信号，送入到单片机中进行数据处理，经过一定的控制算法后，通过单片机的输出I/O口，经过Zigbee无线模块将信号从矿山下接收，再发送到地面上的单片机中，经过数据处理后，按照预先设定的瓦斯浓度通过蜂鸣器产生报警，从而完成整个系统的功能。
设计的主要工作是运用AT89C52单片机作为主控制单元及数据处理单元，控制瓦斯传感器检测环境瓦斯信号及A/D转换，数据处理，发出控制信号对蜂鸣器进行控制，达到自动报警的目的。
本系统设计主要包括以下几个方面的工作：
（一）、总体框图设计。
以AT89C52单片机为基础进行数据处理，通过瓦斯传感器采集矿山中的瓦斯浓度，通过无线网络检测瓦斯节点的位置，通过报警器达到实时检测的目的。
（二）、瓦斯传感器模块的设计和使用。
运用传感器的原理采集矿井下瓦斯的浓度，首先设计出总体电路图和框架图，然后进行软件模拟仿真，实现瓦斯气体的采集和传送功能。
（三）、zigbee无线网络技术模块的设计。
不同于传统的接收与发送模式的是不仅仅局限于有线的传输，无线传输能够渗透到各个角落，使得信号的传输更加有效，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测。
（四）、8051单片机的基本应用。
主要运用单片机各接口的连接，将单片机芯片作为桥梁把矿井下的瓦斯气体浓度采集与地面上的监控系统联系起来，将各个元件组成一个系统。
（五）、实现实时报警监控逻辑控制器的中处理单元。
当矿井下采集到的瓦斯浓度达到或者超过设定的瓦斯安全浓度就实现自动报警，以便地面上的工作人员能及时做好相应的处理，保证生产安全。
第2章相关基础知识
2.1STC89C52单片机
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[3]。
STC89C52微处理器引脚结构图如图2.1所示：
图2-1STC89C52引脚图
STC89C52具有以下标准功能：
8K字节Flash，256字节RAM，32个I/O口，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。
其P3口各引脚的第二功能如表2.1所示:
表2-1P3口各引脚的第二功能定义
接口线
引脚
第二功能
P3.0
10
RXD（串行输入口）
P3.1
11
TXD（串行输出口）
P3.2
12
INT0（外部中断0）
P3.3
13
INT1（外部中断1）
P3.4
14
T0（定时器0外部输入）
P3.5
15
T1（定时器1外部输入）
P3.6
16
WR（外部数据存储器写脉冲）
P3.7
17
RD（外部数据存储器读脉冲）
在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。
目前，8位单片机在国内外仍占有重要地位。
在8位单片机中又以MCS－51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。
2.2瓦斯采集与传感器
传感器的选择受到很多因素的影响，首先是各种瓦斯传感器自身的优缺点，其次是各种不同的环境因素，还有就是系统所要求实现的精度等，所以在不同的设计当中瓦斯传感器的选择也将不同。
方案一：
CTZ2GJ4（A）型智能遥控瓦斯传感器：
用于检测煤矿井下甲烷浓度。
该传感器是一种智能型检测仪表，具有自动调零、自动调灵敏度、非线性补偿等功能（所有功能可通过遥控器来实现），具有方便使用、稳定可靠等优点。
表2-2CTZ2GJ4主要技术参数
测量范围
0-4%CH4
基本误差
0-4%≤0.1%CH4
输出信号
200-1000Hz，
频率
1-5mA
报警点设置
0.5-1.5%CH4可任意设置
报警强度
大于85db
断电输出
0-5mA电流脉冲
工作电压
本安DC9-18V
工作电流
＜50mA
方案二：
MH-740A传感器是一个通用型、小型传感器，利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CH4进行探测，具有很好的选择性，无氧气依赖性，性能稳定、寿命长。
MH-740A是将成熟的红外吸收气体检测技术与微型机械加工、精良电路设计紧密结合，制作出的小巧型红外气体传感器。
可广泛应用于火灾探测，爆炸性气体检测等。
表2-3MH-740A主要技术参数
检测范围
0-100%VOL
分辨率
0.1%VOL
响应时间（T）
<30s
零点漂移
<±2%VOL
工作电压
4.5~5.5V
工作电流
<100mA
工作范围
-20～+60℃
贮存温度
-40～+85℃
湿度范围
<95%RH
压力范围
90～110KPa
预期使用寿命
>5年
2.3ZigBee协议及串行通信
构建煤矿瓦斯监测无线传感器网络可有多种形式，如分簇式链状煤矿瓦斯监测无线传感器网络结构，即层次型结构。
但层次型结构存在数据传输路径单一、易受破坏等问题，并且当局部监测规模较大时监测效果不理想。
为此，设计了一种基于ZigBee技术的煤矿瓦斯监测网格型无线传感器网络结构;在此种结构中，无线竹点按功能强弱分类有4种，分别为协调器节点、路由器节点、普通型端设备和增强型端设备，网络结构如图2.2所示。
节点的功能越强，相应的功耗也就越大。
网络中采用不同功能的节点，可合理分配各类节点的数量，来兼顾网络对低功耗和高性能的要求。
图2-2网格型无线传感网络结构
对于应用于环境检测、工业控制等领域的无线传感器网络来说，系统所传输的数据量小，传输速率低，通信终端设备通常为电池供电，因此要求传输设一备必须具有成本低、功耗小的特点。
此外，对于煤矿瓦斯监测工作来说，为了获得较为全面的监测数据，需要在网络中布置数量较多的无线传感器节点，这就要求网络能协调好节点之间的通信，并且要求网络中的数据传输具有较低的时延。
因此，需要选择一种具备上述特点的网络协议，以保障煤矿瓦斯无线监测系统的正常监测工作。
串行通信的主要功能是实现单片机与PC机的数据交换，当需要进行数据记录、数据统计、数据分析的时候，可以把数据发送给上位机，使用上位机进行数据处理，并且将数据处理的结果又发送给单片机。
这样可以大大提高系统数据处理速度，还可以方便的对单片机进行控制。
计算机与外界的数据传送大部分都是串行的，其传送距离可以从几米到几千米。
第3章系统硬件设计与实现
3.1系统总体设计
本部分详细介绍了基于AT89C52单片机的矿山瓦斯无线传感网络控制系统的硬件设计。
硬件系统所需要完成的功能是将瓦斯传感器采集到的瓦斯浓度信号，输送到AT89C52单片机的I/O口，然后把单片机数据处理后的结果通过无线模块从矿井下接收并发送到地面，通过接口把无线模块的发送部分与单片机连接，然后再通过单片机I/O口，把单片机控制信号送到执行单元蜂鸣器。
本系统中以瓦斯传感器作为瓦斯信号的采集与转换单元；AT89C52单片机作为数据处理和控制单元；蜂鸣器作为超瓦斯浓度报警单元。
硬件原理框图，如图3-1所示：
图3-1系统设计原理框图
按照系统设计的要求，本系统主要硬件系统由瓦斯传感器模块、无线传输模块、数据接收及处理单元和能量供应模块四大主要模块组成。
本系统由瓦斯信号采集与A/D转换、无线传输、控制执行单元、蜂鸣器五部分组成，功能模块具体实现所用的器件的不同，将直接影响整个系统的性能及成本，为了达到高效、实用的目的，在系统设计之前的方案论证是十分重要的，该系统可以有效的监测井下低浓度及高浓度瓦斯，试用范围非常广泛。
监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声音报警以便管理人员及早做出相应措施。
系统硬件设计结构框图图如图3-2所示：
图3-2基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统结构框图
3.2各单元功能介绍
单片机：
该部分的功能不仅包括读取瓦斯数据处理，同时还要执行单元进行控制，单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心。
单片机系统的扩展，一般是以基本最小系统为基础的。
所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统，对于片内带有程序存储器的单片机，只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。
图3-3最小系统图
瓦斯传感器：
本部分的主要作用是用传感器检测并采集模拟环境中的瓦斯信号，再把电流信号转换成电压信号，使用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号，以上过程都在瓦斯传感器内部完成。
图3-4传感器节点硬件结构示意图
串口通信：
串口通信的主要功能是完成单片机与传感器以及与蜂鸣器之间的通信，便于进行瓦斯超标报警系统设计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。
本设计采用RS232串行接口来完成单片机与PC机的数据传输。
在RS232C标准中，收发信号中的“0”为＋3V～＋15V，“1”为－3V～－15V，但单片机采用的是正逻辑的TTL电平，所以需要通过专用芯片MAX232C实现EIA电平与TTL电平转换。
图3-5串口通信硬件连接图
无线模块单元：
主要实现信号的接收和发送功能，在发送端对信号进行编码，接收端对信号实现解调。
不同于传统的接收与发送模式的是不仅仅局限于有线的传输，无线传输能够渗透到各个角落，使得信号的传输更加有效，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测，同时采用报警系统，一旦瓦斯超标，系统立即提醒正在井下作业的工人紧急撤离，避免人员伤亡。
电源系统单元：
本单元的主要功能是为单片机提供适当的工作电源，同时也为其他模块提供电源，在本设计当中，电源系统输出+5V的电源。
3.3瓦斯传感器设计
瓦斯传感器的原理：
瓦斯传感器是为了在地下采矿区检测瓦斯气体的浓度而设计的，其主要工作原理是利用介于电桥桥臂之间的热催化元件（黑白元件）在瓦斯气体的作用下发生无烟燃烧，引起元件温度升高，阻值增大，使原来平衡的电桥失衡，导致桥路输出电压变化，该电压与瓦斯气体浓度成正比，通过测量此电压可以达到测量瓦斯气体浓度的目的。
该单元以单片机AT89C52为核心，包含甲烷浓度采样器、把220V的交流电转换成5V的直流电源、红外遥控系统、存储器的扩展、LCD显示器和报警装置等组成。
该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯，试用范围非常广泛。
监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。
图3-6原理框图
瓦斯传感器采用的是中船重工第七一八研究所研制的MJC4/3.0L载体催化元件。
MJC系列载体催化元件是用于对空气里可燃气体进行检测的，可以对瓦斯（天然气）、煤气、液化石油气等多种可燃气体进行检测，属于广谱气敏元件。
该传感器可以对1-100%LEL浓度的气体进行检测，适用于煤矿0-4%浓度的环境监测。
该传感器可以布置于固定节点，也适用于移动节点。
表3-1MJC4/3.0L技术参数
工作电压（V）
3.0±0.1
工作电流（mA）
110±10
灵敏度（mV）
1%甲烷20~40
1%丁烷30~50
1%氢气25~45
线形度（%）
≤5
测量范围（%LEL）
0~100
响应时间（90%）
小于10秒
恢复时间（90%）
小于30秒
使用环境
-40~+70℃低于95%RH
储存环境
-20~+70℃低于95%RH
外形尺寸（mm）
MJC4/3.0L:
9.5×14×19
MJC4/3.0L载体催化元件是由一个检测元件（黑元件）与一个补偿元件（白元件）组成。
图3-7载体催化元件电路
该电路是一个惠斯通电桥，在空气中没有可燃气体的时候，可以通过可变电阻R0进行调零，将输出电压调为零。
当该电路检测到空气中有可燃气体的时候，检测元件D上就会有无氧燃烧，产生的热量改变检测元件的电阻，使得电桥的输出电压与可燃气体的浓度成正比。
瓦斯传感器模块的电路如图3-8所示.
图3-8瓦斯传感器电路图
输出的检测电压分别与CC2430的P0_0及P0_1引脚连接，作为差分电压输入。
MJC4/3.0L的工作条件是：
工作电压为直流3.0±0.1V，环境温度0℃~40℃，温度不高于95%RH（25℃），气压80~116kPa。
适合于井下工作。
3.4无线传输模块的设计
ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的双向无线通信技术，它工作于无需注册的2．4GHz国际免费频段ISM（IndustrialientificMedicalBand）．ZigBee的传输速率为10kbps~250kbps，传输距离为10~100m，具有电池寿命长、应用简单、可靠性高及组网能力强等特点．主要适用于无线传感器网、自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。
ZigBee无线数据传输模块的硬件设计框图如图3-9所示．为了实现无线数据传输模块的硬件基础架构，将硬件设计分为四部分：
无线收发电路、电源电路、JTAG电路和串口转换电路．在这里，设计了串口转换电路，可以实现RS232串口数据转换．因此，可以实现无线模块与PC机之间的串口数据通信．无线收发电路是本次硬件设计的核心，而JTAG电路主要实现对CC2430的编程和测试．
图3-9硬件工作原理图
本次设计的无线通信模块采用射频芯片CL'2430．该款芯片以强大的集成开发环境为支持，内部线路的交互式调试遵从IDE的IAR环境．它是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，它支持2．4GHzIEEE802．15．4协议，结合一个高性能2．4GHzDsSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器．CL-2430芯片在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器．它使用1个8位MCU（8051），具有32／64／128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（～）C）、几个定时器（Timer）、AESl28协同处理器、看门狗定时器（WatchdogTimer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（PowerOnReset）、掉电检测电路（BrownOutDetection）以及21个可编程I／O引脚。
本次设计的无线收发模块电路包括CC2430
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