论文研究-基于wifi的煤矿井下气体监测系统的设计 .pdf

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基于wifi的煤矿井下气体监测系统的设计,刘学瑞,,针对矿井危险气体事故频发及现有矿井有线监测通信系统急需向无线通信系统转变的实际情况,文章提出了一种基于wifi技术的无线传感��
国武技论文在线 括实吋吋钟、功耗控制单元、內存)和 并且整合了射频前端 和微控制器,具备定位跟踪以及监控物资功能,这样的芯片结构大大减铚了节点设计的复 杂度,也节省了节点的成本。电源模块为传感器模块及处理器模块提供能量,气体调理电路 的输出仅需要连接到 的接口,这样就基本完成了基于的气体监测节点的 硬件设计。 采用微米工艺制造, 封装,在硬什设计上节省了 元器件数量,简化了设计电路布线密度,提高了系统的可靠性 工作时电流为 时为 在单节电池下能维持长达 年的节点运行寿命。另外,它还支持 标准,并提供 编码、 三种方式保证数据 和信息安全 系统节点的软件设计 节点的软件开发是基于 的嵌入式操作系统,具有易使用、实时性强、响应时 间短及源码开放等优点,非常适合带的嵌入式设计应用。节点的软件包括用户程序、 函数、系统服务、网络协议栈、实时内核及底层硬件的驱动,实现的功能主要包括数据 采集、发送、数码显示、报警指示、网络管珄以及能耗管等。木章节简咩的给出节点状态 流程、任务创建及应用程序的实现。 节点状态流程 节点的状态流程图,如图所示,节点上电时需要冷启动一次(一般在节点部署时完成, 仅此一次),在冷启动过程中,系统会根据存储在中的参数进行初始化,结束后,节 加入 并且初始化网络协议栈。一旦网络组建完成,服务器的节点注册表将记节 点的信息,并允许服务器发送配置或固件的更新全节点。判断节点唤醒的原因,节点执行下 血三种任务:一、确定无线连接状态的 响应上位机请求的节点配置吏 新;三、执行用户应用程序。相应仼务执行完毕,准各待机前设定好节点唤醒吋间,必要的 节点信息存入 中。节点待机过程中,低频晶振开启,定时器计时,管脚激 活 保存节点状态信息不变。一旦到达节点定时时刻,或者定时器未到达而有 信号输入,就会触发节点由睡眠到节点的唤醒,进入唤醒原因判断,循环进入上述执行流程。 安装电 操作环 待杌状态 到器哽堅 诋频是振运钉 唤醒训敷微活 休存状态信息 微活 保存信息 转换开启 准备进入待机状态 安排下 果盃亞:加入网终 发送里置更新间 配置元成后 处理效据 是查成功2 发送配置命令 安排下一次运匀时间 于动配置) 图节点的状态流程图 国武技论文在线 任务创建 仟务创建的准备工作主要完成节点程序运行之前必要参数的配置、设置工作,例如:上 位机的地止、数据包的端口号 冈络的 节点参 数初始化如图所小。 传感器应用程序入 唤醒的元数) 联上位机地址和端 屮配置 冷启功 中尖联 设置 上位机及端口号 使能关闭 中豹效据指针 指向全局变量 尖取唤萍周期 任务计数器加 将卜讼获联的值存 节点珐入待 获取节、是|记录通 过获 调传感器的 叫取的节点:上位 应用序 机端口号 否 图节点参数初始化 任务创建在函数 内定义,该程序模块主要完成数据采集任务创 建、消息队列加载、四种气体传感数值局部变量声明、口初始化、及初始化失败后的节 点如何处坦的过程,如图所示。程序执行的过程如下:系统完成原始初始化后,执行函数 创建本地指针指向配置信息。第一次调用 将会创建气体传感数据的局部变量、消息队列的 传感 采集任务,创建完华后,将会调用 执行采集任务。 GSnAllGasScnsorEntry.c GsiALLGasseusor task GsuAllGasSensorAppEutry flash data, wakeup reason) 创建传感值 存储局部变量 变员指向全局 flash MlB变量 失败 传感器进入哑眠状念 建任务,通过 任务创建? GsnAllGas Sensor Function Entry 停止错误处逛计时器 调用任务 是 条计数器减1 创建 telos 操作系统汽息队 芒点唤醒原闲 设置下一次唤胜时间 朮载到消息弘列 图测量任务创建 国武技论文在线 应用程序 应用稈序主要完成,传感器数据采集,气体浓度值超限报警、数据打包发送及在外部 触发数码管循环显示四种气体浓度佰的功能。传感器数据采集如图所示。 任务进入传感测量循环,首先判断消息队列传递过来的消息,如果节点是冷启动或者 固件更新,为了史新传感器采集时的参数设定,节点任务请求进入待机;如果节点非冷启动 或者配置更新,调用接冂函数分吋采集四种气体的浓度值,接着判断四种气体浓度是 否超出设定的警戒值,浓度超限则报警。采样得到的气体浓度值、节点值,一起 打包入 的数组,道过发送。所有这些操作完成之后,调用 减少任务数,设置下一次的唤醒时间。此时节点并不是直接进入待机状态,而是返回到等待 于消息队列,由判断是否有其他的任务正在运行,如果没有其他任在执行,节点进入 待机状态;如果系统因其他任务执行而未进入待机状态,在待机定时器到来时, 数会再次调用,在这种情况下, 接收到消息队 列中的消息后会再次执行测量任务。 获取气体 传感器的值 浓度超限 四种气体的值放 等待消息队列 在一个队列十发送 开启错误计数器 通拉发送数据 固件更新 进入待桃 图传感器数据米集 按键发 动原因 置参数初始化 点醒 显示 佻续待札 图数码显 国武技论文在线 节点在待机状态时,若 的管脚检测到按键触发的电平卜降沿,节点自动 被唤醒后循环显示 浓度值,显示完毕后进入睡眠状态,直到节点的 定时器将节点再次唤醒。数码显示流程如图所示。 监测系统的构成及测试分析 监测系统构成 监测系统由节点、本安、本安以太网交换机及本安隔爆监控站组成,整个系统以 无线网络和协议为基本架构,以矿廾工业以太环网为整个系统的主干传输平 台,形成有线主干与无线终端相结合的方式,覆盖矿井部分或全部巷道及地面相关区域,最 终实现监测。监控系统构成如图所小。 本安或隔爆监控站 安以k对交换 电缆 本安以太网换机 本安 本安 气体监测节点 气体监测节点 图监测系统构成 系统测试与分析 测试系统包括:两个气体监测节点分别做 及气体试验数据测试,选用 作为,这是一款可以工作在 频段,完全兼容 协议标准 的高性能、高安全性的,内置的单频无线模块,为无线应用提供了极大的灵活性,也降 低了设备所受的T扰及获得更大的覆盖泡围,采用全向天线,笔记本与无线通过 网线连接。试验地点选择在中国矿业大学瓦斯煤尘爆炸试验室的一条巷道中,巷道参数为 长、宽、高,巷道是平直的,相对实际的大巷,巷道的截面积较小。 测试:节点发送一次数据,射频发射功率为 选择距离 的地方 作为测试起点,然后每次以向移动,每段距离测试时间分钟,通过抓得的数 据包进行数据提取,得出节点与距离的关系如图所示 国武技论文在线 讵离 图 与距离的关系 分析:从图观测得,除了测试距离为 处的值稍小及处 值稍大外,其他测试点的数据基本满足路径损耗系数模型,值与距离成反比。因此, 可以考虑使用信号强度来仁计距离,从而使用来实现定位。由于实验巷道是平直的, 内部机械设备非常少,而实际的巷道内电力线、矿用设备等比较多,将会对路径损耗产生影 响 气体试验数据测试:使用 工具,它是网络封包分析软件,可以撷取网终封 包,并尽可能显小出最为详细的网络封包资料。测试数据如图所小。图中可以看到两 个节点的包,我们选择地址为 节点的包,采用十六进制表小 根据事先的封包格式,我们对数据包进行分析, 的采样值依次为 。此处我们选择的浓度: 转换为十进制是 (测试之前通入了的气样进行校准,将其标定在 即 十进制 2l°E+20(m,A%.+a+61xl 解器副|自日放“冒坐回日吸巴回|回 825/ sp4-sⅥI:: erter pr 1s6s.2$23,Sp∠-s::en 0D:00 ce3.3.1:0 3918.15325523990:00即时改 ARGr dLLiLuus A3 ur 192lE2.3.155 Re B Frame 39 (78 aytes on y/rE, 73 bytes captured) 1b:38:a7:ha:13 日 Internet prot1,sr<:192,168.3.135(-92,16 n:CC:00:00),D5t 1∈8,3,200(192, 一Dcc=er anagram130-0c0, sr port:52149(62149),DstP"t:8255(25 Pacloo-e:0 Delved: 50 Bosd: C xcel 0 I P-efil: Dofeul- 截图 国武技论文在线 结束语 本文结合现阶段煤矿安仝生产状况及的发展现状,应用低功耗芯片 改计出了基于的气体监测系统,系统节点能够采集气体试验数据,并准确地上传到上 位机,在灵峾性、实时性上及数据可靠性上都有很大的优势,为煤矿的安全生产发挥一定的 作用。技术作为·种长距离、高复杂度、高数据速率的无线网终技术,将随着技术的 进一步发展,成为实现无线监测系统最理想的应用方案和发展趋势,在煤矿井下有一定的 应用前景 参考文献 张申丁恩杰武增楳矿井下综合业务数字网网络结构的研究煤炭学报 武卩东王光兴煤矿瓦斯睑测与语音综合ν务网络系统体系结构煤炭学报 孙戈徐端华基于的井下多功能便携终端的设计与实现1矿自动化 杨娟郭江涛通讯技术在煤矿井下的应用煤矿女全 干建国郭宝亿基于 和相结合的楼宇监测系统西北工业大学学报

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2019-08-19
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