论文研究-基于压电传感器的矿井瓦斯监测无线传感器网络设计 .pdf

所需积分/C币:9 2019-08-15 13:43:04 288KB .PDF
收藏 收藏
举报

基于压电传感器的矿井瓦斯监测无线传感器网络设计,韩菲,童敏明,本文针对矿井瓦斯监测无缝覆盖的要求,提出了一种基于压电传感器、适合矿井应用环境的无线传感器网络。网络呈分簇式链状拓扑结构
国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 75当前节点i的邻居节点个数Li和自身剩余能量Ei构成:-LiEi。从而实现了对节点剩 余能量和邻居节点个数的综合考虑 (2)向量归一化。 wi X 竞争阶段: (3)节点竞争学习。在竞争阶段各节点采用欧式距离法对归化后的输入模式向量与对应 的内星权向量进行相似性比较,最相似的节点获胜,作为簇头节点。簇头节点权向量为*: X-Wi*= m X-w ∈(1,2…n) (4)对获胜节点的权向量作学习调整: Wi*(t+1)=Wi*()+o(X-W* Wi(t+1)=W(),i≠i 取其学习率a每次减小邻居节点数,循环运算,直至a衰减为0。新一轮竞争开始时, 各节点的输入模式向量值为上一轮竞争获胜节点分布的权向量。 2.2传感器休眠调度 为提高內络可靠度,传感器节点会进行冗余布撒。系统运行时,为节省能量消耗,不需 婓所有节点都处于工作状态;同时,考虑簇內节点空闲侦听时能量消耗及覆盖冗余问题。往 ∞0往通过拓扑控制进行节点休眠调度,使传感器节点在工作、侦听、睡眠一种状态之间进行轮 换,以此降低网络通信干扰,进一步提髙能量有效性。本设计利用覆盖配置协议米实现传 感器节点数最大化的休眠调度,其具体过程如图1,2所示: 初始化书点 进入退出状态 进入睡眠状态 进入侦听状态 进入加入状态 为二作状态 启动退占定时器 启动定时器 启动侦听定时器 启动加入定时器 广播 VITHDRAW <收到ELL0 r<枚 WITHDRAW 是含一收到HEL0 剿 THDRAY或0N 收到0N>否 符合睡眠条 是 定时器溢 定时器溢出 定时器溢出> 定时器溢出 撤消定时器 是 图2.l传感器休眠调度流稈 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 3压电传感器节点设计 无线传感器网终广泛涉及到嵌入式、无线通信、传感器、信息传输、控制及应用化学等 多种技术。本文研究涉及的矿井瓦斯监测无线传感器节点采用 ZigBee尢线通信技术,利用 100 aTmel公司的 ATmegal6和CC2420架构 Zig Bee节点。为」满足电池供电的尢线瓦斯传 感器的要求,采用种新型的低功耗簿膜声波压电传感器检测甲烷浓度。该传感器的测试相 对误差在5%之内,测量精度较高。 31节点系统框架 传感器节点主要由 ATmegal6核心工作模块、CC2420收发模块、薄膜压电传感器模块、 105存储模块以及电源管理模块组成。节点框架如图3.1所小: 节点的传感器模块贠责监测周围区域内的坏境信息和数据转换。木设计中的传感器模块 釆用了溥膜压电传感器;ΔTπegal6核心工作模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议 同步定位、功耗管理、任务管理等。 ATmega16控制器自身具有AD功能,从瓦斯监测电 路得到的模拟信号可以直接输送到 ATmegal6进行模数转换,且功耗低,速度快;CC2420 l!0收发模块负责与其它节点进行无线通信,交换控制信息和收发采集数据,利用SP接口和 ATmcga I6进行通信。存储模坎负責存储采集到的数据;电源管理模块为其氽各部分提供能 量,由一节12ⅴ直流输出的容量为1000mAh的锂电池组成 数据釆集子系统 数据处理子系统 无线通信子系统 AIMEL1 SP I GC2420 核 士作块。接无线收 发模块 路 24123 存储模块 电源系统 图3.1传感器点框图 115 32压电传感器 薄膜压电传感器的结构(横截面)如图3.2所示。驱动压控单元是压电薄膜(1):它被夹 在顶端电极(2)和底部电极(3)之间。顶端电极是厚0.2微米的铝质薄膜;底部电极是 片厚度为0.25微米的覆盖一层很薄的银膜。衬底(4)由绝缘的硅制造,使用8×8×1.2毫 120米硅衬底。敏感膜(5)附着于衬底的另一面。驱动压控单元是一个柔韧的压电薄膜,选用 氧化锌薄膜,该薄膜由大量的体积小于0.5立方毫米的晶粒构成,这些晶粒以一种特定的方 式排列在衬底上。 4 图3.2薄膜压电传感器结构 压电簿膜;2顶端电极;3底部电极;4衬底;5敏感膜;6保护鞘。 4 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 对甲烷簿膜压电传感器通入不同浓度的甲烷气体,通过检测电路测得传感器的输岀曲线 如图3.3所示。将传感器通过频率调制器接入单片机处理,可以将传感器谐振频率的变化转 换为对应的甲烷浓度值。由图可见,在0~5%范围内,该传感器的响应近似线性。 10 20 0.71.42.12.83.54.24.9(a% 130 图3.3压电传感器的响应曲线 4结论 无线传感器网终是矿廾环境监测的重要亍段。结合煤矿廾下环境特点,选用链状分簇的 层次型网络拓扑结构,利用竞争学习聚类算法分簇以及选举簇头,可以将网络划分为规模均 135匀、个数合理的簇,且簇与簇之间重叠少。采用压电传感器进行现场瓦斯浓度数据采集,在 减小节点功耗的同时,保证了检测精度,有利于推广应用 参考文献]( References) l4四]仼彦大线传感器网络覆盖与拓扑控制哩论与技术研究[D北京:北京交通大学,2008,06 22] Jaehyun Kim, Jaiyong Lee, Seoggyu Kim An Enhanced Cross-Layer Protocol for Energy Efficiency in Wireless Sensor Networks[J]. IEEE Sensor Technologies and Applications. 2009, 09: 657-664 「3王传云无线传感器网络拓扑控制杋制研究「沈阳:沈阳航空工业学院,200,0 [4] Hongwei Zhang, Anish Arora. GS3: scalable self-configuration and self-healing in wireless sensor networks[J] Computer Networks, 2003, 43(4): 459-480 145 [5]L M. Dorojkine, V.V.Volkov, V.S. Doroshenko, ect.. Thin-film piezoelectric acoustic sensors. Application to the detection of hydrocarbons[-]. Sensors and Actuators, 1997, 44: 484-494

...展开详情
试读 5P 论文研究-基于压电传感器的矿井瓦斯监测无线传感器网络设计 .pdf
立即下载 低至0.43元/次 身份认证VIP会员低至7折
抢沙发
一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
  • 至尊王者

    成功上传501个资源即可获取
关注 私信 TA的资源
上传资源赚积分,得勋章
最新推荐
论文研究-基于压电传感器的矿井瓦斯监测无线传感器网络设计 .pdf 9积分/C币 立即下载
1/5
论文研究-基于压电传感器的矿井瓦斯监测无线传感器网络设计 .pdf第1页

试读结束, 可继续读1页

9积分/C币 立即下载 >