具有巡逻和区域定位功能的WSN危险气体监测系统的设计

摘要

在各类社会公共场合或企业生产区间，如果由于操作失误、设备老化或蓄意人为等原因，导致易燃易爆、有毒有害等危险气体泄漏，却不能及时发现险情，将会给公共安全和生产安全带来极大的威胁，甚至会产生毁灭性的灾难。所以危险气体的有效监测对生产安全和公共安全是十分重要的。传统的有线气体监测系统缺乏灵活性，过分依赖以电线和电缆为基础的通信设施，可拓展性不足。即使是最新的无线气体监测系统，也存在成本高、节点类型单一等缺陷。针对上述原因，设计了一种基于ZIGBEE无线网络并具备巡逻和区域定位功能的危险气体监测系统。
　　系统底层采用ZIGBEE作为通信技术，硬件设备包括协调器、路由器、锚节点、固定监测节点和巡逻员手持节点。固定监测节点被布置在监控区域内不同位置，在协调器开启所有监测节点时，每个固定监测节点在申请并保存距离最近的锚节点ID（用来实现区域定位）进入监测状态。巡逻员手持节点作为独立可移动的监测节点，它随巡逻员在巡逻过程中自身监测到气体泄漏时，会发出声光报警并向协调器发送报警信息。当固定监测节点发现危险气体浓度超标时，会同时向协调器和巡逻员手持节点发送险情信息，信息包括险情等级与险情位置。巡逻员在接收到信息后会即刻赶往险情发生位置进行查证，在巡逻员确定气体发生泄漏并且个人不能解决的情况下，可通过节点上的HELP键向其他巡逻员发送包含发生险情的区域位置信息的请求支援命令。协调器会汇聚所有底层信息并实现格式的转换。上位机则负责对所有节点数据进行实时的显示与监测。
　　论文设计并实现了上述的危险气体监测系统。首先针对传统无线气体监测系统的主要不足，从灵活性和可靠性等方面进行了需求分析，并设计了系统的总体架构。其次根据模块化设计思想依次设计了TGS813气体采集处理模块、电源管理模块、信息显示模块、声光报警模块、JTAG模块和按键模块。依据各节点的需求差异合理组合模块完成对固定监测节点、巡逻员手持节点等硬件设备的设计，并在硬件设备上使用Z-Stack协议栈完成了底层ZIGBEE网络中各个节点软件部分的设计。然后设计了基于C/S模式的危险气体监控系统。主要实现对监测节点工作状态及其周围气体泄漏情况（泄漏时间、等级和泄漏位置）的查看，当系统监测到险情时会及时给出提示。最后通过对系统进行软硬件联合调试，验证其可行性和功能完整性。测试结果表明，系统能够完成设计初衷，具有一定的实用性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 气体检测技术

1．3 无线传感网络技术

1．4 课题研究内容与结构安排

第2章 系统整体设计

2．1 气体监测系统需求分析

2．2 底层网络通信协议与拓扑结构的选择

2．3 基于WSN的危险气体监测系统总体架构

2．4 气体监测系统工作原理

2．5 本章小结

第3章 基于WSN的危险气体监测系统硬件设计

3．1 系统硬件设计方案

3．2 核心处理器模块及基本外围电路

3．2．1 核心处理器模块

3．2．2 无线收发模块

3．2．3 基本外围电路设计

3．3 气体传感器采集处理模块硬件设计

3．3．1 气体传感器TGS813工作原理

3．3．2 气体传感器TGS813灵敏度特性

3．3．3 TGS813检测电路

3．4 固定监测节点硬件设计

3．4．1 固定监测节点硬件结构

3．4．2 危险等级划分

3．5 巡逻员手持节点硬件设计

3．6 协调器与路由器硬件设计

3．7 本章小结

第4章 基于WSN的危险气体监测系统网络软件设计

4．1 网络协议栈简介

4．1．1 zigbee协议栈与Z-Stack简介

4．1．2 协议栈工作流程

4．1．3 协议栈中数据通信的寻址模式

4．2 固定监测节点软件设计

4．3 巡逻员手持节点软件设计

4．4 路由器软件设计

4．5 协调器节点软件设计

4．6 命令帧介绍

4．6．1 底层设备无线通信命令帧

4．6．2 APS帧的帧负载结构设计

4．6．3 串口帧的结构设计

4．7 本章小结

第5章 危险气体监测平台的设计与实现

5．1 危险气体监测平台总体结构

5．2 开发语言、环境与工具

5．3 用户登录

5．4 数据监测界面及串口通信的实现

5．5 本章小结

第6章 系统调试与总结

6．1 气体传感器测试

6．1．1 气体传感器TGS813灵敏度特性测试

6．1．2 气体采集模块报警测试

6．2 系统测试

6．2．1 底层设备组合测试

6．2．1 上位机联合测试

总结与展望

致谢

参考文献

附录1

附录2

攻读硕士学位期间发表的论文