无线传感器网络在火灾监控中的应用Word格式.docx
《无线传感器网络在火灾监控中的应用Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线传感器网络在火灾监控中的应用Word格式.docx（50页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
4.2.3无线模块整体硬件设计24
4.3单片机最小系统设计24
4.3.1AT89S51管脚说明25
4.3.2单片机时钟电路26
4.3.3单片机复位电路27
4.4温度传感器电路27
4.5烟雾传感器电路28
4.6数据采集接口电路30
4.6.1ADC0809的芯片结构组成30
4.6.2ADC0809管脚说明31
4.6.3ADC0809数据采集电路32
5、单片机系统软件设计33
5.1概述33
5.2单片机数据采集程序流程35
5.3数据采集模块程序设计35
5.4数据转换程序的设计37
5.5数据发送程序38
5.6水幕装置控制程序设计38
6、结论与展望40
6.1结论40
6.2展望41
谢辞41
附录1：
电路图46
附录2：
程序47
1、绪论
1.1设计的背景意义
煤炭行业是一个特殊的行业。
瓦斯、矿尘、火灾、水灾、顶压等各种安全隐患严重威胁着矿井作业工人的人身安全。
而我国作为世界第一大产煤国，煤矿的安全生产状况非常严峻，严重的安全事故时有发生。
据统计，中国国有重点煤矿中44.4%的矿井高瓦斯或煤与瓦斯突出，自然发火危险矿井占51.3%，煤尘有爆炸危险的矿井占87，4%，水文地质条件复杂或极复杂类型煤矿占25.04%。
小煤矿中高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井超过巧%，具有煤尘爆炸危险矿井占91.350k，其中高达57.71%的矿井具有强爆炸性。
而国外先进的煤矿安全生产情况已经达到了很高的水平，比如澳大利亚。
在切实加强落实《安全生产法》的同时，建立煤矿井下安全信息管理系统实现生产安全与生产效益兼顾已成为我国煤炭企业迫在眉睫的首要任务。
目前在我国煤矿中，大部分采用的系统是有线监控系统。
采用的技术途径是有源RFID结合工业总线（以太网）等有线的通讯方式。
有线监控的问题是成本高、布线复杂、建设成本也高、耗人力资源，后期维护困难。
所以，希望通过基于无线传感器网络的技术实现井下的信息采集与传输。
因此，设计一个基于无线传感器网络的火灾监控系统具有重要作用和意义。
1.2研究现状与进展
我国改革开放以来，科学技术不断进步，人民的生活需求不断扩大，能源消耗迅猛增长。
煤炭作为工业血液，需求增长迅速，煤炭工业也得到很大发展，但是煤矿重大、特大事故时有发生，仍未实现对灾害事故的有效控制。
各地煤矿事故频发，造成严重的人员伤亡及经济损失，暴露出现有煤矿监控系统存在的问题。
煤炭安全生产中受到八大灾害（《煤矿安全规程》，2004）的威胁，它们主要是：
瓦斯危害、煤尘危险、水灾、火灾、顶板及冲击地压、提升运输危险、电气危险、爆炸材料危险及有害因素。
据不完全统计，全国煤矿每年死亡人数超过六千人，约占全国的80％以上，占全国工业企业死亡人数的60％。
根据统计分析表明，全国煤矿瓦斯事故数占煤矿事故总数大约70%。
因此，煤矿井下瓦斯参数的监测对保障煤矿安全生产具有十分重要的作用，是煤矿高产、高效、安全生产的重要保证，直接关系着矿井的安全生产和矿工的生命安全。
目前我国普遍采用的煤矿瓦斯监控系统都是以工业总线为基础，井下瓦斯监测系统与地面信息中心通过电缆或光纤连接，构成有线信息传输网络，这个网络需要有专业人员建立和维护，若线路施工不及时就会造成瓦斯气体漏检。
并存在以下严重缺点：
l）有线通信方式布线复杂，劳动强度高，铺设速度慢，容易在建设初期形成安全上的盲点；
2）网络结构相对固定，不适合掘进工作面延伸的动态变化要求；
在煤矿实际开采过程中，经常需要对某一地区进行试探性挖掘，由于形成的探测巷长度事先无法预知，巷道随时可能废弃或者增加掘进深度，所以对于工业总线而言，其扩展性、灵活性存在不足，还容易造成资源的浪费，引起成本的提高；
3）监测点相对固定，容易出现监测盲区；
4）监测参数相对固定，不能随时加入新得监测对象，间接增加系统的大成本投入；
5）工作现场的通信线路容易破坏，破坏后的恢复周期较长；
6）通信线路维护成本高，造成部分煤矿出现边维护、边生产的违规现象，甚至有些煤矿干脆不维护。
7）类似瓦斯爆炸等突发事件发生后有线通信设备可能因为一条电线断路而全局瘫痪，使工作现场如同盲区，对搜救工作带来极大的困难，对及时拯救矿工生命起不到丝毫辅助作用；
8）目前有一部分有线通信和无线通信相结合的系统也不能完全避免以上几大缺点。
煤矿安全生产问题不容忽视，煤矿安全监测系统的优劣直接关系到煤矿的安全生产，研究设计一种安全高效的优秀安全系统刻不容缓。
综上所述，依靠有线监控系统实现对全矿井瓦斯等参数的无缝监测还具有一定的局限性，不可避免地留下了大量的安全隐患。
为了克服煤矿有线安全监控监测系统的这些不足之处，本文提出了“基于ZigBee无线传感器网络监控系统在矿井安全中的应用”并给出了具体得实现方法和技术路线。
1.3本设计的任务
近几年来，不断地出现关于无线通信的新的名词，比如3G、蓝牙、Zigbee、无线局域网、无线宽带等，可见无线网络正在非常迅速地向前发展，而Zigbee像一匹黑马异军突起，发展迅猛[1]。
2006年有多家Zigbee芯片厂商推出新一代的Zigbee射频芯片，将单片机和射频芯片整合在一起的SoC也已经蓄势待发。
2005年全球仅出货100万片Zigbee芯片，谨慎估计2010年将达到1.65亿片。
预测2007年Zigbee设备市场与配件收益计算的增长将达80亿美元。
普通型传感器必须用电缆与中央指挥系统相连接，造价高，且不便操作，为了有效解决普通火灾报警系统存在的诸多弊端，提高效率,
采用Zigbee
智能无线网络的火灾报警系统能有效克服了上述缺点。
而在火灾监控过程中，对温度的检测又是重点，因此，本次毕业设计以设计基于Zigbee的基于无线传感器网络的火灾监控系统为重点研究目的。
2、系统的设计基础
2.1Zigbee技术简介
1）什么是ZigBee？
ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。
根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）
地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。
其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。
主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术[2]。
（2）ZigBee的起源
ZigBee，在中国被译为"
紫蜂"
，它与蓝牙相类似，是一种新兴的短距离无线技术，用于传感控制应用。
此想法在IEEE802.15工作组中提出，于是成立了工作组，并制定规范IEEE802.15.4。
2002年，ZigBeeAlliance成立。
2004年，ZigBeeV1.0诞生。
它是ZigBee的第一个规范。
但由于推出仓促，存在一些错误。
2006年，推出ZigBee2006，比较完善。
2007年底，ZigBeePRO推出。
ZigBee的底层技术基于IEEE802.15.4。
物理层和MAC层直接引用了IEEE802.15.4。
在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。
对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。
因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世。
另外，ZigBee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议。
长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。
自从Bluetooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是Bluetooth的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。
如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介入控制层。
IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<
250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。
它是ZigBee应用屋和网络层协议的基础。
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。
主要用于近距离无线连接。
它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。
Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分：
1）数据传输速率低：
只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。
2）功耗低：
在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。
这也是Zigbee的支持者所一直引以为豪的独特优势。
3）成本低：
因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。
且Zigbee协议免收专利费。
4）时延短：
通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。
5）安全：
Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性。
6）网络容量大：
每个Zigbee网络节点最多可支持255个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接。
7）优良的网络拓扑能力：
Zigbee具有星型、树型和网络型等结构的能力。
Zigbee设备实际上具有无线网路自愈能力，能简单地覆盖广阔范围。
8）有效范围小：
有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
9）工作频段灵活：
使用的频段分别为2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。
2.2基于Zigbee火灾报警技术简介
2.2.1系统整体网络结构
由于矿井环境的恶劣性、复杂性给有线通信系统的铺设带来了极大的考验。
有线安全系统的缺点如1.2所述。
有线系统的缺点给矿井安全生产带来极大威胁。
伴随着无线通信得日益发展壮大，建立一个不需要铺设线路，建立简易，成本低廉，维护简单，操作方便，通信安全，系统健壮，可靠性高，可扩展性好等等优势的安全监测系统的提出已经众望所归。
本文提出的基于Zigbee的基于无线传感器网络的火灾监控系统是基于无线传感器网络，实现井下的感兴趣的参数目标全面及时的监控与预警。
系统组成示意图如图所示：
五角星（蓝色）定义一台为中心模块，其他模块接收到抄表信息发送或中继发送至中心模块。
中心模块本地存储或通过GPRS广域网传送至消防中心。
2.2.2系统组网拓扑
传感模块与Zigbee无线数据采集发送模块（SC8836A或SC8836b）对接，传感模块输出脉冲与采集发送模块TTL接口互联。
传感模块每发送一个脉冲（1升），触发Zigbee模块向骨干采集模块发送数据，骨干数据采集模块接收到信息，返回确认信息。
传感模块端接收到返回信息即进入省电休眠状态（如图2-2所示）。
使用SC8836B集中数据采集模块，采集到的来自所有它管辖范围内的测温模块的数据，进行打包，并通过如下几种方式传给监控中心：
A.
在每一个SC8836B中，安装一个GPRS或
CDMA1X终端模块，利用移动通信网传往管理计费中心，或其它指定地点；
B.
利用SC8836B模块自身的无线数据中转功能，将所有SC8836B所采集到的数据汇集到某一个采集节点，再通过其它有线或无线的网络传往消防中心，包括互联网，宽带网或移动网；
个别联网不方便的数据采集点，可单独使用一个GPRS或
CDMA1X终端模块直接传输。
C.
利用485总线或无线网络将一个小区的所有SC8836B采集点连接在一起，然后再通过其它有线或无线的网络传往消防中心，包括互联网，宽带网或移动网。
所有设备都具备定时自检信息发送，以确保设备运行良好，和电池低压报警信号的发送，在电池余量到达设定范围，即向管理系统发送低压告警信号，提示更换电池，以保证设备正常运行。
2.2.3温度/烟雾检测传感器连接示意图
温度/烟雾检测传感器输出方波脉冲或其他信号与无线模块TTL接口连接。
无线模块直接取温度采集模块电池供电（如图2-3所示）。
3、火灾报警系统结构设计
火灾报警系统是由触发器件、火灾报警装置、火灾警报装置以及具有其它辅助功能的装置组成的火灾报警系统，在火灾自动报警系统中，自动或手动产生火灾报警信号的器件称为触发件，主要包括火灾探测器和手动火灾报警按钮。
3.1火灾探测器
火灾探测器是火灾自动报警系统的传感部分，是组成各种火灾自动报警系统的重要组件，是火灾自动报警系统的“感觉器官”。
它能对火灾参数（如烟、温度、火焰辐射、气体浓度等）响应，并自动产生火灾报警信号，或向控制和指示设备发出现场火灾状态信号的装置。
火灾探测器是系统中的关键元件，他的稳定性、可靠性和灵敏度等技术指标会受到诸多因素的影响，因此火灾探测器的选择和布置应该严格按照规范进行。
3.1.1火灾探测器的分类
目前火灾探测器的种类很多，按照不同的方式有不同的分类方法。
1根据监测的火灾特性不同，火灾探测器可分为感烟、感温、感光、复合和可燃气体等五种类型，每个类型又根据其工作原理的不同而分为若干种。
2根据感应元件的结构不同，可分为：
⑴点型火灾探测器。
对警戒范围中某一点周围的火灾参数作出响应。
⑵线型火灾探测器。
对警戒范围中某一线路周围的火灾参数作出响应。
3根据操作后是否能复位，可分为：
⑴可复位火灾探测器。
在产生火灾报警信号的条件不再存在的情况下，不需要更换组件即能从报警状态恢复到监视状态。
根据复位的方式不同，又可分为以下三种：
①自动复位火灾探测器。
能自动地恢复到监视状态。
②遥控复位火灾探测器。
通过遥控操作能恢复到监视状态。
③手动复位火灾探测器。
通过手动调节能恢复到监视状态。
⑵不可复位火灾探测器。
在产生火灾报警信号的条件不再存在的情况下，需调换组件才能从报警状态恢复到监视状态或动作后不能恢复到监视状态。
3.1.2火灾探测器的选择
火灾探测器的选择应符合下列要求：
（1）对火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射的，选用感烟探头；
（2）对火灾发展迅速，产生大量热、烟和火焰辐射的，选用感烟探头、感温探头、火焰探头或它们的组合；
（3）对火灾发展迅速，有强烈的火焰辐射和少量烟、热的，选用火焰探头；
（4）对情况复杂或火灾形成特点不可预料的，可进行模拟实验，根据实验选用适宜的探头。
（5）在不同高度的设置火灾探测器时可参照表2.1的规定。
3.1.3火灾探测器的设置
（1）探测区域内每个房间至少应布置一只火灾探测器。
（2）感烟探测器、感温探测器的保护面积和保护半径应该满足表2.2的规定。
表2.2感烟、感温探测器的保护面积和保护半径
火灾探测器的种类
地面面积
S（m2）
房间高度h（m）
一只探测器的保护面积A和保护半径R
房间坡度θ
θ≤15°
15°
＜θ≤ 3°
θ＞30°
A
（m2）
R
（m）
（m2）
感烟探
测器
S≤80
h≤12
80
6.7
7.2
8.0
S＞80
6＜h≤12
100
120
9.9
h≤6
60
5.8
9.0
感温探测器
S≤30
h≤8
30
4.4
4.9
5.5
S＞30
20
3.6
40
6.3
（3）一个探测区域内所需设置的探测器数量，应由下式计算：
（2.1）
式中：
N—一个探测区域所需设置的探测器数量（只），N
1（取整数）；
S—一个探测区域的面积（m2）;
A—一个探测器的保护面积；
K—修正系数，重点保护建筑K取0.7～0.9，普通保护建筑K取1.0。
（4）在宽度小于3m以内的走廊顶棚上设置探测器时宜居中布置。
感温探测器的安装间距L不应超过10m，感烟探测器的安装间距L不应超过15m，探测器至端墙的距离不应大于探测器间距的1/2。
（5）探测器至墙壁、梁的水平距离不应小于0.5m，并且探测器的周围0.5m内不应有遮挡物。
（6）房间被书架、隔断、设备等分隔且至顶棚或梁的距离小于房间净高5％时，则每个被格开的部分至少安装一只探测器。
（7）探测器宜水平安装，如必须倾斜安装时，倾斜角不应大于45。
当屋顶坡度θ大于45时，应加木台或类似方法安装探测器。
3.1.4温度检测传感器
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。
它的主要特性如下：
（1）流过器件的电流（mA）与器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数有关，其关系式为：
。
式中，流过器件（AD590）的电流
单位为mA；
T—热力学温度，单位为K。
（2）AD590的测温范围为-55°
C～+150°
C。
（3）AD590的电源电压范围为4V～30V。
电源电压可在4V～6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
（4）输出电阻为710MΩ。
（5）精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55°
C范围内，非线性误差为±
0.3°
3.1.5烟雾检测传感器
烟雾传感器采用MQ-2型气体传感器。
该传感器具有探测范围广，稳定性好，灵敏度高、响应快速等优点，可以探测甲烷、丁烷、酒精、烟雾等多种气体，如图所示。
其主要性能指标如下：
MQ-2型气体传感器
工作温度：
-10～50℃
工作电压：
5.0V±
0.1V（AC、DC）
加热电压：
加热电阻：
31Ω±
3Ω
加热功耗：
≤900mW
敏感体表面电阻：
3KΩ～30KΩ（1000ppm异丁烷）
3.2手动火灾报警按钮
3.2.1手动火灾报警按钮概述
火灾自动报警系统应有自动和手动两种触发装置。
各种类型的火灾探测器是自动触发装置，而在防火分区疏散通道、楼梯口等处设置的手动火灾报警按钮是手动触发装置，它应具有应急情况下，人工手动通报火警的功能。
3.2.2手动火灾报警按钮的设置
每个防火分区应至少设置一只手动火灾报警按钮。
从一个防火分区内的任何位置到最邻近的一个手动火灾报警按钮的距离，不应大于30m。
手动火灾报警按钮宜设置在公共活动场所的出入口处。
手动火灾报警按钮应设置在明显的和便于操作的部位。
当安装在墙上时其底边距地高度宜为1.3~1.5m，且应有明显的标志。
手动火灾报警按钮宜与集中报警器连接，且应单独占用一个部位号。
因为集中控制器设在消防室内，能更快采取措施，所以当没有集中报警器时，它才接入区域报警器，但应单独占用一个部位号。
3.3火灾报警控制器
火灾报警控制器是火灾自动报警系统心脏，具有下述功能：
（1）用来接受火灾信号并启动火灾警报装置。
该设备也可用来指示着火部位和记录有关信息。
（2）能通过火警发送装置启动火灾报警信号或通过自动消防灭火控制装置启动自动灭火设备和消防联动控制器。
（3）自动地监视系统的正确运行和对特定故障给出声、光报警。
3.3.1火灾报警控制器分类
火灾报警控制器种类繁多，根据不同的方法可分成不同的类别。
（1）按控制范围可分为：
ａ区域火灾报警控制器：
直接连接火灾探测器，处理各种报警信息。
ｂ集中火灾报警控制器：
它一般不与火灾探测器相连，而与区域火灾报警控制器相连，处理区域级火灾报警控制器送来的报警信号，常使用在较大型系统中。
ｃ控制中心火灾报警控制器：
它兼有区域，集中两级或火灾报警控制器的特点，即可以作区域级使用，连接控制器；
又可以作集中级使用，连接区域火灾报警控制器。
（2）按结构型式可分为：
ａ壁挂式火灾报警控制器：
连接的探测器回路相应少些，控制功能简单，区域报警控制器多才用这种型式。
ｂ台式火灾报警控制器：
连接探测器回路数较多，联动控制较复杂，集中式报警器常采用这种方式。
ｃ框式火灾报警控制器：
可实现多回路连接，具有复杂的联动控制。
（3）按系统布线方式分为：
ａ多线制火灾报警控制器：
探测器与控制器的连接采用一一对应方式。
ｂ总线制火灾报警控制器：
控制器与探测器采用总线方式连接，探测器并联或串联在总线上。
3.3.2火灾报警控制器的功能
（1）火灾报警：
当收到探测器、手动报警开关、消火栓开关及输入模块所配接的设备所发来的火警信号时，均可在报警器中报警。
（2）故障报警：
系统运行时控制器分时巡检，若有异常（设备故障）发出声、光报警信号，并显示故障类型及编码等。
（3）火警优先：
在故障报警或已处理火警时，若发生火警则报火警，而当火警清除后又自动报原有的故障。
（4）时钟与火灾发生时间的记忆：
系统中的时钟走时通过软件编程实现，具有相应的存储单元，记忆事故发生时间。
（5）自检功能：
为了提高报警系统的可靠性，控制器设置了检查功能，可定期或不定期的进行模拟火警检查。
3.4火灾报警系统介绍
随着新产品的不断出现，火灾自动报警系统也由传统型向现代火灾自动报警发展。
在诸多的产品中以区域报警和集中报警控制器的应用最为广泛，以下介绍两者的设置。
3.4.1区域报警控制系统
区域报警控制系统是火灾自动报警系统组成的一种形式，它是由电子元件组成的自动报警和监控装置。
当探测器检测到火灾信号，电子线路将火灾信号转换为电压或
升级会员 