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1、矿山瓦斯无线传感网络控制系统摘要：论文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
2、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;Radio Brushless Machine Control System Design based on AVRAbstract: As the main conversional device of mechanica
3、l energy to electrical energy, the motor has mainly three types, such as，the DC motor, the synchronous motor, the asynchronous motor .Because of having lots of disadvantages, the application of the DC motor has been limited strongly.The brushless DC motor has the advantages which includes the simple
4、 structure，reliable operation and being convenient. All of these above are possessed by AC motor. They also maintain series of merits from the DC motor. The brushless DC motor operates efficiently, and has excited capacity Base on the development of the brushless DC motor and new kinds instruction o
5、f electrics and electronics, the thesis includes several parts, for examples: operational principles of the brushless DC motor and AVR single chip microcomputer, the design of the circuit which is used to control the motor, the design of the software and the summary of the whole graduation. The resu
6、lt suggests that the design of the circuit generally achieves the goal and the request of the thesis.Keywords: AVR Single Chip Micyoco; Wireless; Brushless DC Motor目 录第1章 绪论11.1研究背景与意义11.2发展历史与研究现状11.3本课题主要研究内容3第2章 相关基础知识42.1 STC89C52单片机42.2瓦斯采集与传感器52.3 ZigBee协议及串行通信6第 3 章 系统硬件设计与实现83.1 系统总体设计83.2 各
7、单元功能介绍93.3瓦斯传感器设计113.4 无线传输模块的设计133.5能量供应模块和报警模块17第4章 系统软件程序的设计194.1设计思路、流程图194.2无线收发部分的软件设计214.3瓦斯浓度的采集模块234.4电源能量检测模块24第5章 系统测试255.1硬件测试255.2软件测试275.3测试结果分析与结论28第6章 总结30致 谢31参考文献32附录33附录A：瓦斯无线传感网络控制系统硬件设计电路图33附录B：瓦斯无线传感网络控制系统源程序34I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
8、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
9、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
10、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
11、。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
12、线传感器网络产生的主要推动力量。军事领域方面：UC Berkeley的Smart Mote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(National Science Foundation)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
13、网络极大地改进了对环境的监控。Environmental Sensors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
14、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
15、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2.1 STC89C52单片机 ST
