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摘 要

本文设计了一种基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统，系统设计方案采用分模块设计方法，首先将各分模块分别设计和调试，再将其各模块之间进行集成设计和联立调试。硬件电路的设计包括处理器系统电路、显示电路、瓦斯检测模块电路、Zigbee模块电路、报警电路，软件设计在包括系统功能实现主程序、显示子程序、Zigbee无线传输子程序、A/D转换子程序。

这种设计不仅仅是一个小质量，低消耗的系统，而且它还具备简单、易用的优势。从控制角度来看，本系统还引入了闭环控制，这使得它在其能力方面有一些出色的智能，对低环境中的瓦斯浓度进行监测和预警是可能的，有一定的研究意义和现实价值。

关键词：无线传感器网络；Zigbee；瓦斯浓度检测；预警

Abstract

In this paper, a coal mine gas monitoring system based on wireless sensor network is designed. The system design scheme adopts sub-module design method. First, each sub-module is designed and debugged separately, and then integrated design and simultaneous debugging among its modules. The design of the hardware circuit includes the processor system circuit, the display circuit, the gas detection module circuit, the Zigbee module circuit, and the alarm circuit. The software design includes the system function to realize the main program, display subprogram, Zigbee wireless transmission subprogram, A / D conversion subprogram program.

This design is not only a low-quality, low-consumption system, but it also has the advantages of simplicity and ease of use. From a control point of view, the system also introduces closed-loop control, which makes it have some excellent intelligence in its capabilities, monitoring and early warning of gas concentration in low environments is possible, and has certain research significance and practical value .

Key Words：wireless sensor network; Zigbee; the gas detection; warning

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 无线传感器网络介绍 3

1.3.1 无线传感器网络节点 4

1.3.2 无线传感器网络的协议分层 4

1.3.3 无线传感器网络通信协议ZigBee概述 5

1.3.4 ZigBee协议的特点 6

1.4 本文主要内容 7

第2章 系统主要模块与结构 8

2.1 系统主要模块 8

2.1.1 瓦斯监测传感器 8

2.1.2 主控芯片 8

2.1.3 显示模块 8

2.1.4 ZigBee协议 8

2.2 系统结构 9

第3章 系统硬件设计 10

3.1 单片机系统电路 10

3.2 显示电路 11

3.3 瓦斯检测模块 12

3.4 ZigBee模块电路 13

3.5 报警电路 14

第4章 系统软件设计 16

4.1 主程序 16

4.2 显示子程序 18

4.3 A/D采集子程序 18

4.4 ZigBee无线传输子程序 19

第5章 系统测试 21

5.1 测试流程 21

5.2 测试结果 21

结 论 23

参考文献 24

致 谢 25

附 录 26

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

在我国煤矿安全事故中，煤气爆炸造成的死亡和受伤人数占严重事故造成的伤亡总人数的70%以上，煤矿生产安全已成为保障井下从业人员生命安全的最大障碍。为了适应现代社会对我国煤矿安全的要求，特别是考虑到煤矿中煤矿的危险，使煤矿现代化，使煤矿安全和煤炭价格合理，我们在矿井中的需要大量的瓦斯浓度监测系统。^[1]毫不夸张地说，矿井瓦斯浓度检测系统的研发对我国煤矿行业有着极为重要的作用。

瓦斯气体是指在煤矿中形成的大量对人体有害的气体，其主要成分是甲烷，有时候也会特指甲烷。当空气中的甲烷体积分数达到一定水平（5%-12%），在某些条件下便可能会引起甲烷与氧气的强烈化学反应，并导致瓦斯爆炸发生，从而对煤矿以及井下工作人员的安全造成严重威胁。^[2]煤矿中的常规瓦斯监测系统可分为两个主要部分：底部部分和表面部分。底部部分主要通过各种定量检测设备（传感器，如压力传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器、探测器和矿井设备等）进行底部气体浓度及含量采集，从各种气体中提取到有用信息，然后通过总线把这些数据传送到安全管理部门的服务器上。而监控软件在服务器上运行，其通过修改和加载数据，不断更新所显示的数据。同时，监控软件还可以汇总、处理、分析和存档这些数据，这可以成为管理层决策的重要基础。该系统可以让工作人员注意设备故障或现场气体浓度，并采取措施避免重大事故。煤矿中瓦斯监测系统的重要性是显而易见的。在煤矿大省山西省，近年来，特别是自2016年以来，由于党的关注，山西省煤炭系统在全省煤矿电脑化方面取得了新的进展和成果。特别是煤矿四级信息网络平台的建立，这个基于瓦斯监测和控制系统而搭建的平台，是瓦斯安全管理信息技术的一项重大举措，它不仅极大地促进了山西煤炭产业的信息化，也为全国煤炭产业更为规范化树立了良好的榜样。山西省2806个煤矿安装了瓦斯监测和控制系统，2671个煤矿与该网络连接。这些系统的使用大大减少了煤矿中的气体事故。综上所述，开发设计一种具有报警功能的操作简单的煤矿瓦斯监测系统,对我国煤矿的安全生产具有非常重要的意义。

1.2 国内外研究现状

随着煤矿工业的发展，控制和监测煤气的技术也逐渐得到发展。世界上第一个天然气测量仪器，即天然气控制灯，是英国科学家1815年发明的，其原理为瓦斯气体浓度和火焰高度之间存在一定的关系；到了上世纪30年代，一位日本科学家发明了光学干扰气体探测器，该发明时至今日仍在使用。在上世纪40年代，美国科学家研制了一种用于检测甲烷气体浓度的敏感元件：铂线催化剂元件。联合王国矿业安全研究所于1954年开发了第一批便携式催化剂。随后，由于电子技术的进步，瓦斯探测控制系统得到了进一步的发展，如上世纪70年法国科学家、英国科学家、美国科学家先后开发出了CT63/40U甲烷监测系统、MINOS监测系统、SCADA监测系统等。

我国的煤矿瓦斯监测技术的发展是一部用血与泪铸就的辛酸发展史。从中华人民共和国成立的头几年到上个世纪70年代，煤矿从业者一直使用手提式仪器，如光学气体探测器和风表等来对井下瓦斯浓度进行探测，在这一阶段，由于设备简陋，测量数据经常出现偏差，因此发生了许多矿难事故。到了上世纪60年代，我国开始发展具有活力的催化剂元件，这不仅直接引领了一个新阶段的监控和监视技术的发展，同时还提高了电子技术和敏感元件的制造水平的发展，尤其是微机和大规模集成电路的投入使用，大大提升了检测精度和效率，但由于设备容易发生故障，此阶段矿难事故的发生还是较多。在上世纪70年代，有人发明了用于自动和连续地检测瓦斯浓度，并能够实现自动切断受控制设备的电源装置 ——瓦斯断电仪，此设备被广泛应用于空气回流通道及挖掘工作面。但由于瓦斯断电仪体积太大，只能应用于固定的场所，而为了保障井下从业人员的安全还需对煤矿中各个位置的瓦斯浓度都进行测量和监控，因此，我们开发了便携式瓦斯警报器和瓦斯警报器。1983年到1985年期间，我国向欧洲和美国先后引进了几十个监测系统以及便携式传感器等仪器，同时还引进了一些控制系统、传感器和敏感元件制造技术。这大大推动了我国煤矿瓦斯安全监测和控制技术的发展。1983年以后，国内的许多煤矿瓦斯监测和控制系统的模型在技术上得到了认证，从而逐步实现了持续的监测和监视，为储存和处理关于煤矿安全和生产各种数据带来了方便。近年来，随着计算机的普及，特别是网络建设和信息化的持续发展，为煤矿瓦斯的检测和控制带来了便利。这些设备和系统的传播和使用使我国煤矿安全控制产品的市场更加丰富，这极大地改善了我国煤矿安全技术设备的状况，降低了矿难事故发生率，缩小了国内外先进科学技术水平之间的差距。

1.3 无线传感器网络介绍

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，它可以实现对网络覆盖区域内感知对象的监测信息进行协作地探测、处理和传输，并报告给用户。^[3]

一个WSN通常由一组毫米级的包含传感器、电源、无线收发机的具有分析、计算、处理能力的微型机电系统（MEMS）装置组成。通常一个WSN覆盖一个地理区域。WSN在传统传感器的基础上取得了重大突破，主要表现在如下几个方面:

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