煤气预警与监测系统的设计与开发

【摘要】：近年来，随着人们环保意识的增强，清洁能源也得到了更多的重视和发展。在诸多清洁能源中，煤气以其独有的优势得到人们更多的关注。作为洁净能源的一种，煤气既能满足人们对环境保护的需求又可以提供高效的能量，而且它还是化工行业重要的原料。其中很多行业的附加产品就是煤气。随着煤气行业的发展，煤气安全的重要性也日益摆在人们面前。近年来频发的煤气泄漏，煤气爆炸等事故也时刻提醒着我们，煤气在给我们带来方便的同时也伴随着隐患。安全事故的发生不但影响经济的发展也影响社会的稳定，而现今的煤气预警系统其自成体系的分散式生产安全预警模式已不适应企业发展的需要。 基于这一现状，通过详细了解企业需求，查阅相关项目资料，在充分利用企业现有资源结合现阶段企业的状况和技术情况的基础上，运用当今先进的无线通信技术，我们研究并设计了这一套煤气预警与监测系统。使得我们的煤气预警与监测系统从科学性和准确性上能够满足企业的需求。主要内容如下： 首先比较了现在普遍使用的几种无线通信技术，比如红外，蓝牙等等。然后就它们的优点和不足进行了说明和比较。决定采用ZigBee无线传输之后，我们详细介绍了ZigBee协议的特点及其网络拓扑结构。并对ZigBee网络中的三种不同的设备进行了介绍，分别是协调器，路由器，终端节点。在上述介绍之后我们又解释了ZigBee的协议标准。并且按不同的部分分别进行了详细的介绍。比如物理层，MAC层，网络层。 然后提出了系统的整体结构，介绍了本系统的设计原则和实现的功能和指标。然后介绍了节点硬件部分设计的基本流程。将国内外不同生产商的ZigBee芯片进行了性能比较和介绍。最后采用的是TI的CC2530芯片，在CC2530芯片的基础上对需要的ZigBee节点进行了硬件设计。其中传感器部分我们选择的是MQ-7并就其工作原理和性能进行了分析。随后根据现场情况设计了不同的稳压电源，对稳压电源电路的设计进行了简单的介绍。对于硬件设计中的其他部分也进行了简要的说明。 后面介绍了整个系统开发的软件环境。讲了行业领先的Z-Stack协议栈。对Z-Stack的软件结构进行了分层的阐述，然后介绍了Z-Stack的工作流程。然后对ZigBee网络的组建和设计进行了分析。各节点的信号接收和发送的函数也都一一介绍。节点的软件流程进行了介绍，形成了星型网络结构。 最后我们将设计好的系统进行了组网。利用串口测试工具对整个网络进行了测试。主要测试了网络的丢包率和RSSI值。而且，为检测网络传输性能，对网络的不同传输距离进行了测试。然后对有障碍物的情况下的数据传输情况进行了测试。 试验结果说明，网络能够及时将所监测范围内数据传送至协调器中，实现了该无线网络系统功能。但是依然意识到设计方面存在的不足。比如射频端方面可能传输距离受到限制,而且由于星型结构的关系网络覆盖的范围可能不够远。 【关键词】：煤气预警 无线通信技术 ZigBee CC2530
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X924.4;TN92
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 选题意义10-11
• 1.2 研究现状11-12
• 1.3 课题的研究内容12-14
• 第二章 ZIGBEE 技术简介14-30
• 2.1 无线通信技术14-19
• 2.1.1 现有技术介绍14-15
• 2.1.2 ZigBee 技术简介15-16
• 2.1.3 ZigBee 的网络拓扑结构16-18
• 2.1.4 ZigBee 技术的特点18-19
• 2.2 ZIGBEE 协议标准19-29
• 2.2.1 物理层（PHY）20-23
• 2.2.2 MAC 层23-24
• 2.2.3 网络层（NWK）24-27
• 2.2.4 应用层27-29
• 2.3 本章小结29-30
• 第三章 系统总体方案设计和硬件设计30-46
• 3.1 系统的总体设计30-32
• 3.1.1 煤气预警与监测系统设计原则30-31
• 3.1.2 实现功能和性能指标31
• 3.1.3 节点硬件设计基本流程31-32
• 3.2 系统硬件设计32-37
• 3.2.1 协调器设备硬件设计32-33
• 3.2.2 ZigBee 模块简介33-35
• 3.2.3 CC2530 功能和特性35-37
• 3.3 无线网络节点硬件设计37-45
• 3.3.1 MQ-7 煤气报警器37-39
• 3.3.2 电源部分39-40
• 3.3.3 报警部分40-41
• 3.3.4 RS485 部分41-42
• 3.3.5 定位部分（测试）42-44
• 3.3.6 其他周边部分44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 煤气预警与监测系统的软件开发46-56
• 4.1 软件开发环境46-47
• 4.2 ZIGBEE 协议栈47-51
• 4.2.1 ZigBee 协议栈简介47-49
• 4.2.2 Z-Stack 工作流程49-51
• 4.3 ZIGBEE 网络结构的组建51-55
• 4.3.1 协调器节点软件部分51-54
• 4.3.2 终端传感器节点部分软件设计54-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 系统的分析及其测试56-62
• 5.1 系统的组成56
• 5.2 无线网络建立的测试56-57
• 5.3 通信的距离试验57-60
• 5.4 本章小结60-62
• 第六章 总结与展望62-64
• 参考文献64-66
• 致谢66-67
• 攻读硕士期间发表的学术论文目录67

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