一種基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統的製作方法
2023-09-24 05:41:55
一種基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及無線通信技術、傳感器、嵌入式技術，尤其涉及一種基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統。一種基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統，包括中央微處理器模塊、煤塵濃度傳感器，其特徵在於，還包括：電源模塊、時鐘模塊、執行電路、RAM/ROM模塊、接收電路、復位電路，均與所述的中央微處理器模塊連接；無線射頻收發模塊，通過RS232與所述的中央微處理器模塊連接；所述的煤塵濃度傳感器與所述的中央微處理器連接。本實用新型的有益效果是：（1）傳輸方便、實時性好；（2）監測範圍廣；（3）低複雜度、低功耗。
【專利說明】—種基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及無線通信技術、傳感器、嵌入式技術，尤其涉及一種基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統。
【背景技術】
[0002]我國煤礦與世界各主要產煤國家比較，不僅地質構造比較複雜，而且自然災害也較為嚴重。煤礦下自然環境複雜，存在多種安全隱患。特別是中小型鄉鎮煤礦和私人煤礦，由於安全生產設備落後、安全生產意識不夠，安全生產狀況令人擔憂。現有的煤塵監測系統大都基於有線網絡且設備昂貴，不利於網絡規模的擴大，隨著煤炭開採的推進，很難及時將監控網絡鋪設到開採面，不能及時監測這些危險區域的情況。因此，研究基於無線傳感網絡、維護簡單的煤礦井下煤塵濃度監測系統有著重要的現實意義。
[0003]傳感器是一種可以獲取特定信息並對獲取到的信息進行處理的特殊裝置，如人類的某些器官就是一套典型的傳感器系統，人類通過眼、耳、皮膚等可以感知外界的光、聲、溫度等信息。在當今資訊時代，人們對各種控制系統自動化程度以及環境適應性的要求越來越高，需要獲取的信息量也越來越多，這不僅對傳感器的測量精度、響應速度、可靠性提出了很高的要求，而且需要遠距離傳輸。顯然，傳統的傳感器已經不能滿足這些要求，在這種情況下，具有感知、計算和通信能力的微型傳感器開始在世界範圍內出現。傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術等多個領域的關鍵技術，能夠協作地實時監測、感知和採集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，並對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息。傳感器網絡可以使人們在任何時間、地點和任何環境條件下獲取大量詳實而可靠的信息，因此可以被廣泛地應用於環境監測、交通管理、醫療衛生、製造業等領域。傳感器網絡是信息感知和採集的一場革命，作為一個全新的研究領域在基礎理論和工程技術兩個層面向科技工作者提出了大量的挑戰性研究課題。
[0004]無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、採集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，並發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。傳感器技術和無線通信技術結合而成的無線傳感器網絡使得其應用更加方便、高效，並具有功耗較低、性價比高、可自由組網等特點。無線傳感器網絡是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的一種無線網絡，以協作地感知、採集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，並最終把這些信息發送給網絡的所有者。無線傳感器的組成模塊通常封裝在一個外殼內，在工作時它將由電池等供電裝置提供電源輸入，由隨機分布的集成有傳感器模塊、中央微處理器模塊和無線通信收發模塊的微型節點，通過自組織的方式構成無線傳感網絡。它可以採集相應設備的數位訊號，之後通過無線傳感器網絡傳送到監測中心的無線網關，直接送入計算機，從而對信號進行分析和處理。監控中心也可以通過網關把參數設置等信息無線傳輸給節點。數據採集處理模塊把傳感器輸出的信號經過放大、濾波等處理後，送到模數轉換器，之後模數轉換器將信號轉變為數位訊號，然後將數位訊號送到主處理器進行數位訊號處理，計算出傳感器的有效值、位移值等。無線傳感器網絡的節點主要包括傳感器模塊、中央微處理器模塊和無線收發模塊，無線傳感網絡節點的原理圖如圖1所示。
[0005]ZigBee技術是一種短距離無線通信技術,是當今的熱點技術之一。ZigBee技術的產生和發展為傳感器的信號無線傳輸提供了一種新的解決方案。ZigBee協議是一種低速短距離傳輸的無線網絡協議，從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層(NWK)、應用層(APL)等。ZigBee網絡的主要特點是低成本、低複雜度、支持大量節點、支持多種網絡拓撲結構，並且整個網絡間通信快速、可靠、安全。ZigBee網絡中的主要設備可分為協調器(Coordinator)、匯聚節點(Router)、傳感器節點(EndDevice)三種角色。在無線傳感網絡中，協調器的主要作用是完成初始信道的選擇，對網絡配置初始化、接受子節點的加入；路由器的主要作用是參與數據的轉發，通過允許別的節點加入來擴展網絡的覆蓋範圍；終端主要負責與路由器建立連接，並將採集到的數據發送給協調點。在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的網狀網的路由，適用於範圍很廣的網絡，並支持多播和廣播特性。
[0006]ZigBee協議網絡有三種拓撲結構:星型結構、簇樹型結構和網型結構，消息從一個節點如何路由至另一個節點完全取決於網絡拓撲結構；這裡所設計的無線生物傳感器網絡採用的是只有一個中心節點，所有消息都經過它傳輸的星型結構連接，包括一個網關節點、若干個無線通信子節點。
實用新型內容
[0007]本實用新型要解決的技術問題是:現有的煤塵濃度監測系統大都基於有線網絡，設備昂貴，不利於網絡規模的擴大，在進行監測時往往傳輸不夠方便、快速，且可靠性較低，不能將監測結果實時的發送給監測中心，同時監測範圍不夠全面。
[0008]本實用新型的目的是:提供一種基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統，能夠快速、準確通信，能耗較低，能對煤塵濃度進行實時監測。此目的是通過如下方式實現的:
[0009]一種基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統，包括中央微處理器模塊、煤塵濃度傳感器，其特徵在於，還包括:
[0010]電源模塊、時鐘模塊、執行電路、RAM/R0M模塊、接收電路、復位電路，均與所述的中央微處理器模塊連接；
[0011]無線射頻收發模塊，通過RS232與所述的中央微處理器模塊連接；
[0012]所述的煤塵濃度傳感器與所述的中央微處理器連接。
[0013]進一步地，還包括:顯示模塊、報警模塊，均與所述的中央微處理器模塊連接。
[0014]進一步地，所述的煤塵濃度傳感器採用GCG1000型煤塵濃度傳感器。
[0015]進一步地，所述的無線射頻收發模塊採用SOC晶片CC2530。
[0016]進一步地，所述的中央微處理器模塊包括微處理器，所述的微處理器採用32位ARMS3C2410微處理器。
[0017]進一步地，所述的電源模塊採用TPS60211作為管理晶片。
[0018]進一步地，所述的煤炭檢測模塊、報警器、無線射頻收發模塊數量均大於等於I。
[0019]本實用新型的有益效果是:[0020](I )傳輸方便、實時性好。本系統基於無線傳感網絡，且採用ZigBee技術，克服了傳統有線通信的眾多缺點，以網關節點為控制核心，使得傳輸方便、快速，具備對井下煤塵濃度的實時監測能力。
[0021](2)監測範圍廣。本系統充分運用了無線傳感器的特點，通過在需要監測的範圍安置眾多的監測節點，可以有效的擴大監測範圍。
[0022](3)低複雜度、低功耗。本系統基於無線傳感網絡，省去了傳統有線通信監測中複雜的布線工作，使得整體複雜度較低，且採用了 ZigBee技術，由於ZigBee的傳輸速率低，發射功率低，採用了休眠模式，故ZigBee技術的使用使得該系統具有低功耗的特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1無線傳感網絡節點原理圖；
[0024]圖2整個系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖通過實施例來對本實用新型進行詳細說明。
[0026]如圖2所示，整個系統整體上由中央微處理器模塊、煤塵濃度傳感器、電源模塊、時鐘模塊、執行電路、RAM/R0M模塊、接收電路、復位電路、無線射頻收發模塊組成。
[0027]採用基於ZigBee協議的無線傳感網絡對井下煤塵濃度進行實時的採樣，再運用無線通信技術將數據傳輸到網關節點，網關節點對煤塵濃度進行數據分析，在採集數據後將各個子系統的數據集中傳送至監測中心，實現實時監測。
[0028]硬體設計以ARM處理器為核心，通過RS232與無線射頻收發模塊相連接，實現串口通信，在進行煤塵監測時，選定監測地點，在不同監測地點各放有煤塵濃度傳感器、報警器和無線射頻收發模塊。無線射頻收發模塊通過串口與傳感器模塊相連接，用於接收傳感器傳送過來的煤塵濃度數據，對數據進行處理和相應的轉換後，通過無線傳感網絡發送至網關節點。基於ZigBee協議的無線傳感網絡可實現動態路由，當發送數據的無線射頻收發模塊與網關節點間的信道不通時可立即搜尋另一信道，以保證數據能夠及時、準確的傳送到網關節點。電源部分採用TPS60211作為管理晶片，該電源管理晶片具有低功耗的特點，且工作狀態可以通過編程控制，還具有電源自檢測報警功能，從整體上也使得系統的能耗進一步降低。
[0029](I)中央微處理器模塊
[0030]採用32位S3C2410A微處理器，該處理器運算速度快，片內集成資源豐富。S3C2410A在片上集成了單獨的16KB指令Cache和16KB數據Cache、用於虛擬存儲器管理的MMU、支持STN和TFT的IXD控制器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定時器、I/O 口、RTC,8通道10位ADC和觸控螢幕接口、I2C總線接口、I2S總線接口、USB主設備、USB從設備、SD 主卡和 MMC (Multi Media Card，多媒體卡)卡接口、2 通道的 SPI (Serial PeripheralInterface,串行外圍設備接口)以及PLL時鐘發生器。S3C2410A的CPU內核採用的是16/32位 ARM920T 內核，同時還米用 了 AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture,先進的微控制器總線體系結構)新型總線結構。
[0031](2)無線收發模塊[0032]這裡的無線通信模塊採用性能較強、功耗較低的SOC晶片CC2530。CC2530是用於
2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程快閃記憶體，8KB RAM和許多其它強大的功能。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。它提供了高達256KB的快閃記憶體以支持更大的應用，具有很好的地址識別和數據包處理引擎，更好的匹配了 RF前端，支持ZigBee PRO和ZigBee RF4CE。而且具有更低的功耗，其內部除微處理器模塊外，還集成了射頻發射模塊，具有良好的抗幹擾能力，且其發送頻率可以根據應用場景的不同進行調整，通過調整發送頻率可以有效的降低無線傳感器中節點的功耗。
[0033](3)煤塵濃度傳感器
[0034]煤塵濃度的測量使用GCG1000型煤塵濃度傳感器，該傳感器適用於煤礦及其它有危險性的作業環境中現場連續監測其大氣中的總粉塵濃度，可以很好的監測煤塵濃度，且具有體積小、重量輕、便於安裝、測量快速、信號傳輸方便等特點；測得的煤塵濃度通過數碼管現場顯示並轉化成頻率信號輸出當濃度超出一定值時，報警器進行報警。
[0035]整個系統的工作過程如下:
[0036]首先，系統以中央微處理器為核心，優選地，所述的中央微處理器為ARMS3C2410 ；通過RS232與無線射頻收發模塊相連接，優選地，所述的無線射頻收發模塊採用ZigBee模塊，具體型號可選SOC晶片CC2530，實現串口通信；選定監測地點之後，根據需要在不同的監測地點放置煤塵濃度傳感器、報警器和無線射頻收發模塊。用於對監測地點進行數據的米集。
[0037]然後，對無線射頻收發模塊進行初始化，並且根據情況進行級別選擇，在煤塵濃度傳感器進行數據採集之後，用於接收傳感器傳送過來的煤塵濃度數據。
[0038]最後，對於接收到的煤塵濃度數據和信號進行處理和相應的轉換後，通過無線傳感網絡發送至網關節點，系統控制器作出響應，實現對煤塵濃度的監測。當煤塵濃度高於一定值時，報警模塊進行報警。
【權利要求】
1.一種基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統，包括中央微處理器模塊、煤塵濃度傳感器，其特徵在於，還包括: 電源模塊、時鐘模塊、執行電路、RAM/ROM模塊、接收電路、復位電路，均與所述的中央微處理器模塊連接； 無線射頻收發模塊，通過RS232與所述的中央微處理器模塊連接； 所述的煤塵濃度傳感器與所述的中央微處理器連接。
2.根據權利要求1所述的基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統，其特徵在於，還包括:顯示模塊、報警模塊，均與所述的中央微處理器模塊連接。
3.根據權利要求2所述的基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統，其特徵在於，所述的煤塵濃度傳感器採用GCG1000型煤塵濃度傳感器。
4.根據權利要求3所述的基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統，其特徵在於，所述的無線射頻收發模塊採用SOC晶片CC2530。
5.根據權利要求上述任一權利要求所述的基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統，其特徵在於，所述的中央微處理器模塊包括微處理器，所述的微處理器採用32位ARMS3C2410微處理器。
6.根據權利要求5所述的基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統，其特徵在於，所述的電源模塊採用TPS60211作為管理晶片。
7.根據權利要求2所述的基於無線傳感網絡的煤塵濃度檢測系統，其特徵在於，所述的煤塵濃度傳感器、報警模塊、無線射頻收發模塊數量均大於等於I。
【文檔編號】G01N15/06GK203811511SQ201420204024
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2013年12月6日
【發明者】王志鵬, 徐曉聲, 郭坤祺 申請人:鎮江坤泉電子科技有限公司