基于无线传感器网络的CO监测系统设计.pdf

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1、第 20卷 第 4 期2007 年 4月传 感 技 术 学 报CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORSVol.20 No.4Apr.2007Design of the Carbon Monoxide Monitoring SystemBased on the Principle of Sensor NetworkZH ENG De-zhong*,HA N Zhao-ming,WANG Cong,WA NG H ui-ying(Electric Engineering College,YanShan University,Qinhuangdao H eib

2、ei 066004,China)Abstract:How to measure low concentration carbon monoxide accurately and sensitive in air and how tosend the single to checkpoint momently and cheaply are the questions we always concern.Aim at this con-cern,an spectrum absorption type gas sensor is studied.Using LED as light source,

3、carbon monoxide gasconcentration can be detected by modulating Fabry-Perot cavitys driving voltage and single wavelengthdoublepass difference absorbing.Based on wireless sensor network,carbon monoxide concentration can bemonitor,appreciate and collect in the network district,realize long-distance mo

4、nitor by CDMA network.Rea-l time on-line monitor is realized,the cost is lowed,and the efficiency is advanced.Key words:wireless sensor network;detecting;spectrum absorption;carbon monoxide;concentrationEEACC:7230L;6150P基于无线传感器网络的 CO 监测系统设计郑德忠*,韩昭明,王 聪,王会颖(燕山大学电气工程学院,河北 秦皇岛,066004)收稿日期:2006-08-02 修改

5、日期:2006-08-31摘 要:空气中低浓度一氧化碳的监测及如何将监测信号实时、低成本的传输到监测点是关心的问题,针对问题,研究了采用 LED 为光源,用调制加在法布里-珀罗腔上的驱动电压和单波长双光路差分吸收法相结合的方法来测量低浓度一氧化碳气体的光谱吸收型气体传感器.运用无线传感器网络实时监测、感知和采集网络分布区域内的一氧化碳浓度,利用 CDMA 网络实现远程监控.实现在线,实时监测,降低了成本,提高了效率.关键词:无线传感器网络;检测;光谱吸收;一氧化碳;浓度中图分类号:TP212.9 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2007)04-0925-04 一氧化碳是一种对人体

6、健康十分有害的空气污染物.空气中的一氧化碳来源于工业如炼钢、炼焦、炼铁、炼油用煤的不完全燃烧烟道的排放,汽车、摩托车等机动车辆的尾气排放,以及有机物和家用煤气不完全燃烧.当空气中一氧化碳的含量达 100 10-6(125 mg/m3)时,无自觉症状,400 10-6(500mg/m3)时会出现头痛、疲倦、恶心、头晕等感觉,600 10-6(750 mg/m3)时发生心悸亢进,并伴随有虚脱危险,1000 10-6(1 250 mg/m3)出现昏睡,痉挛而造成死亡.因此,如何准确而快速地测定出某一区域空气中的一氧化碳浓度并采取有效的措施已成为当务之急.本文研究了一种新型的气体传感器,具有很好的应用

7、前景.同时,它具有传感器所具有的一切优点:本质安全、抗电磁干扰、灵敏度高、响应速度快,特别是传感头不带电、本质防暴的特点,可适用于易燃、易爆气体的工业在线检测.那么传感监控平台的设计是根据传感器网络的工作原理设计的,传感器网络是一组由传感器以 Ad H oc 方式构成的无线自组网络,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息,并发布给观察者 1.用于在传感器与观察者之间建立通信路径;协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能.一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点.传感器网络中的部分或全部节点可以移动.传感器网络的拓扑结构也会随着

8、节点的移动而不断地动态变化.节点间以 Ad Hoc 方式进行通信,每个节点都可以充当路由器的角色,并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力 2-3.另外在远程控制方面使用无线自组传感器网络和 CDMA 网络混合使用,可以有效地替代 CDMA 远程监控系统前置端的有线部分,减少传输设备,大大降低了成本,使得本系统应用更为广泛.先来看看光谱吸收型传感器的研究.1 测量 CO 浓度的传感器研究1.1 工作原理每一种气体都有固有的吸收光谱.当光源的发射谱与气体的吸收谱相吻合时,就会发生共振吸收,其吸收强度与该气体的体积分数有关,通过测量光谱的吸收强度就可测量气体的体积分数.当一束光强为 Io的

9、输入平行光通过待测气体时,如果光源光谱覆盖一个或多个气体的吸收谱,则光通过气体时发生衰减.根据 Beer Lambert 定律,出射光强 I 与入射光强I0和气体的体积分数之间的关系为:I=I0exp-A CL(1)式中:A为气体吸收系数;L 为吸收路径的长度;C 为气体的体积分数.对式(1)进行变换:C=ln(I0/I)/(AL)(2)从式(2)可知,如果 L,A已知,那么通过检测I、I0就可以得到气体的体积分数 C.气体的吸收谱宽仅为 1 个或几个纳米,一般用于气体探测的发光二极管的带宽约为 50 nm,气体吸收仅占光源光强的几千分之一,比光源光强变化的噪声还要小,所以测量灵敏度是我们最关

10、心的问题.本文采用廉价的LED 做光源,利用法布里-珀罗腔对输入的非单色光进行波长挑选,从而提高单色性,实现了气体的单谱吸收.调制加在法布里-珀罗腔上的驱动电压,使得从法布里-珀罗腔出射的单色光的波长与一氧化碳的吸收谱线相吻合,之后从法布里-珀罗腔出射的单色光经分光器 Y 分成两路,一路通过含有被测气体的气室,另一路则通过不含被测气体的参考气室,将两路信号作比较,从而消除了光源的不稳定性以及光电器件温漂、时漂的影响.本文采用调制加在法布里-珀罗腔上的驱动电压法和单波长双光路差分吸收法相结合的方法来测量低浓度一氧化碳气体.用三角波信号对法布里-珀罗腔进行调制,输出光的频率受到相应调制,调制光通过

11、气室,由于一氧化碳气体的吸收效应,频率调制转换为强度调制.若法布里-珀罗腔的中心透射波长和吸收峰的中心波长对准,通过参考气室的输出光将主要包括调制频率的二次谐波,一次谐波近似为零,可忽略不计.若有偏差,则会产生一次谐波,测量精度就大大降低,本系统引入双光路差分法克服了这个问题.系统的输出光主要是二次谐波分量,且二次谐波分量正比于气体的体积分数 4.检测该值就可以精确测量待测一氧化碳气体的体积分数.1.2 测量系统描述基于可调法布里-珀罗腔与差分吸收相结合的传感系统的原理框图如图 1 所示.图 1 基于可调法布里-珀罗腔传感系统的原理图如图 1,光源 LED 发出的光通过光耦合器到达法布里-珀罗

12、腔,经过驱动电路调制后,出射光进入分光路器,一路进入参考气室,一路进入被测气室,光能与气体发生作用,然后,将携带有用信息的光信号传输到光探测器,光探测器将光信号转变成电信号,这里的光探测器我们选用钽酸锂(LiTaO3)热释电探测器,常见的光电探测有很多种,譬如光电倍增管、光电池、光电二极管等,但光电倍增管体积较大,又需要高压电源供电,用于户外测试仪器极不方便.光电池暗电流大,影响灵敏度 5.光电二极管价格比较高 6.而钽酸锂(LiT aO3)热释电探测器的居里温度较高,输出信号与入射光功率成正比,温度系数小,化学稳定性好,且探测率及响应率均较高,适合在本文所述的环境下工作.因此,本装置选择钽酸

13、锂元件作为检测及监测光学系统的光电转换器件.从钽酸锂(LiTaO3)热释电探测器出来的电信号经过前置放大、谐波检测和除法器.最后将信号送入计算机并显示,该信号表征了气体的体积分数.由图 1 可知:加在法布里-珀罗腔上的驱动电压由直流分量和交流分量组成.直流分量由计算机提供,保证法布里-珀罗腔检波的中心波长始终处于待测气体的吸收峰上;交流分量由三角波发生器提供,完成对法布里-珀罗腔输出光的频率调制,调制光通过气室,由926传 感 技 术 学 报2007 年于气体的吸收效应,频率调制转换为强度调制,输出光主要为调制频率的二次谐波分量 7.调节三角波信号幅值到合适的值时,二次谐波信号的值最大,此时,

14、检测二次谐波信号的值,就检测出了气体的体积分数,且最大限度的提高了测量精度.1.3 测量系统精度分析测量精度是本装置一个最重要的技术指标,取决于多种因素.首先,此系统中法布里-珀罗腔有两个作用,第一,进行选频,即需要测量某一气体,就把从法布里-珀罗腔出射光调制到相应的频率;第二,当法布里-珀罗腔检波的中心波长发生温度漂移时,从计算机上输出一个信号经过 D/A 转换强行叠加在法布里-珀罗腔上,起到反馈控制的作用,就能够使法布里-珀罗腔检波的中心波长始终维持在气体的吸收谱线上.可见采用法布里-珀罗腔对测量的精度有很大帮助.其次,系统实现了对法布里-珀罗腔选频和温度漂移的控制,使得它具有很好的稳定性

15、.采用谐波监测,大大提高了检测的精度.另外,系统采用双光路测量方法,也大大提高了测量精度.2 传感监控平台微处理器和无线收发模块及数据采集模块的硬件和嵌入式操作软件这两部分组成了无线自组网络传感器监控平台 8.这个监控平台把同时检测多路传感信号进行处理后实时地以无线自组传感网络的方式传输到 PC 机上.测量 CO 浓度的传感器在这个无线自组网络传感器监控平台既可以作为无线传感器监控网络的前置监控节点 node,也可以直接作为无线自组传感器网络的中继节点 sink.此传感监控平台有标准接口,直接通过 PC 机接入到 CDMA网络形成远程监控网络.图 2 是无线自组网络监控平台 CO 浓度监测系统

16、网络图.由图可知这个传感监控平台是利用 Ad Hoc 方式构成无线自组网络,因此每个节点都具有数据采集与数据转发功能 9.图 2 无线自组网络监控平台结构图这个传感监控平台主要由电源、传感器接口电路、模数转换模块、无线通信模块、CPU、存储器、嵌入式操作系统组成.图3 为传感监控平台的硬件电路图.图 3 硬件电路图这个传感监控平台不仅可以监测 CO,还可以广泛的应用到其他方面,只要配置不同的传感器就可以形成用途不同的无线自组传感器网络.譬如可用在库房安防警报,库房温度检测,加油站易燃易爆气体检测,化工厂环境检测,重要机房安防报警等多个应用场合.3 远程监控设计上面对 CO 浓度测量方法和传感监

17、控平台进行了设计,在远程监控方面我们采用短消息方式.在传感监测平台示意图 4中我们将 CO 监测传感器通过接口电路连接到 PC 机上,通过 PC 机来发送消息,在遥测中心平台我们通过 CDMA 网络传输的短消息经过天线接收,然后传到 CDMA 模块转化将结果直接输出到计算机上,通过遥测中心的计算机与省市环境监测网互联,实现远程监控.图 4 远程监控设计图CDMA 模块就是移动台,它依靠无线电信号构成的空中链路连接到基站,因而需要 RF 收发信机.为了支持现代通信方式,移动台包括了一个微控制单元(MCU)和一个数字信号处理器(DSP),它们在发射前处理信号并对接收的信号进行解调.现代移动台结构包

18、含一个 RF 收发信机和一个数字系统如图 5.图 5 移动台结构927第 4 期郑德忠,韩昭明等:基于无线传感器网络的 CO 监测系统设计4 结 论本文针对测量低浓度一氧化碳时的灵敏度和精确度难以解决的问题,设计了一种新型传感器,此传感器较之传统的气体传感器,在解决灵敏度和精确度上有很大优势.在网络监控方面,本文设计了一种无线自组网络监控平台,此网络是利用 Ad Hoc 方式构成,每个节点都具有数据采集与数据转发功能,所以此传感监控平台同一般的网络监控和数据传输设备相比具有传感器网络的固有优点.譬如:单节点成本低,是传统无线监控网络单节点成本的几十分之一;节点与探测目标的近距离接触大大消除了环

19、境噪声对系统性能的影响;多节点联合,形成覆盖面积较大的实时探测区域;网络中没有严格的控制中心,所有节点地位平等,是一个对等式网络,节点可以随时加入或离开网络,任何节点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性;网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施,节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络 10.除以上两点设计外,本文还设计了基于 CDMA 网络的远程监控平台,实现了快速、实时、在线监测.参考文献:1 Vieira M A M,Jr.Coelho C N,Jr.da Silva D C.da Mata JM.Survey on Wir

20、eless Sensor Network D-Evices C/Emer-ging T echnologies and Factory Automation,2003.Proceed-ings.ET FA 03.IEEE Conference,Volume:1,16-19 Sept.2003:537-544.2 Hu Y C,Perrig A,Johnson D B.Packet Leashes:a DefinseAgainst Wormhole Attacks in Wireless Networks C/IEEEInfocom,2003.3 吴光斌,梁长根.无线传感器能量有效性研究 J.传

21、感技术,2004,(7).4 郑增威,吴朝辉.若干无线传感器网络路由协议比较研究 J.计算机工程与设计,2003,24(9).5 王立新,张爱军等.光谱吸收型光纤气体传感器的研究 J.传感器技术,2005,24(1).6 Chan Haowen,Perrig A.Secuity and Privacy in Sensor Net-works J.Computer,2003,36(10):1-2.7 Akyildiz I F,Su W,Sankarasubramaniam Y,et al.WirelessSensor Networks:a Survey J.Computer Networks,2

22、002,38(4):393-422.8 Ganeriwal Saurabh,Kumar Ram,Srivastava Mani.TimingSync Protocol for Sensor Networks C/A CM SenSys.LosAngeles,CA,2003.9 Pottie G J,Kaiser W J.Wireless Integrated Network Sensors J.Communications of the ACM.2002,43(5):51-52.10 李春杰,刘瑞霞,王继志.基于无线传感器网络的监控平台设计 J.传感技术学报,2006,1(1):13-15.郑德忠(1949-),教授、博士生导师,燕山大学校学术委员会委员、传感技术学报 副主编、河北省信息化专家组成员、河北省人工智能学会副理事长.主要研究方向为系统仿真、信号处理、遥测遥控和先进控制等.负责主持了四十余项纵横向科研课题,获机械部科技进步奖等省部级奖 4 项,发表 了论文 80 余篇,qhdzdz 928传 感 技 术 学 报2007 年