甲烷浓度检测的无线传感器网络节点设计杨志刚1'2,孟立凡徐青2(1.中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051；2.中北大学，电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051)摘要:针对检测特定环境中甲烷气体浓度的需要，设计一种可实现甲烷气体浓度检删和报警的无线传感器网络节点。该节点采用多个MJC4/3.0L型甲烷传感器采集甲烷浓度信号，以MSP430超低功耗单片机为核心，实现数据采集、存储、处理和传输等功能，应用贝叶斯估计的多传感器数据融和方法，降低了传感器故障对检测结果的影响，同时提高了检测结果的准确性和可靠性。关键词：甲烷检测；多传感器数据融合；贝叶斯估计；无线传感器网络节点;低功耗DesignofWirelessSensorNetworkNodeforMethaneConcentrationDetectionYANGZhi-gangu2,MENGLi-fan'*2,XUQing2(1.KeyLaboratoryofInstrumentationSdence&DynamicMeasurement,NorthUniversityofChina,Taiyuan090051,China；2.KeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology9NorthUniversityofChina9Taiyuan030051China)Abstract:Tomeettherequirementsofdetectingmethanegasconcentrationinspecificenvironment,aWS.noderealizedmethanegasconcentrationdetectionandalarmwasdesigned.MultipleMJC4/3.0methanesensorswereusedtopickupconcentrationsignalsandaultra-lowpowerconsumptionMSP430microcontrollerwadtakenasthecore.Thedataacquisition9storageprocessingandtransmissionwereachieved.Themethodofmulti-sensordatafusionbasedonBayesestimationwasappliedtoreducetheimpactofsensorfaultstothedetectionresults,whileimprovedtheaccuracyandreliabilityofthetestresults.Keywords:methanedetection；multi-sensordatafusion；bayesestimation；wirelesssensornetworknode；lowpower中图分类号:TN925文献标识码:AMl文章编号：1002-1841(2014)06-0069-031多传感器数据融合原理对于多数的检测系统，使用单个传感器来采集数据，然后对循环采集的N个数据进行均值处理，所得到均值就是系统所获得结果。单个传感器检测系统的测试结果受传感器可靠性影响较大。选用3个甲烷传感器对气体中甲烷浓度进行检测,系统获得3个传感器循环N次采集得到的数据,应用贝叶斯估计的多传感器数据融合方法，对数据进行融合处理，可以有效改善单个传感器可靠性对最终测量结果的影响,提高结果的准确性和系统的可靠性［，-2］o数据融合的基本过程如图1所示。块等。选用ZigBeeRF+MCU的方案，传感器节点的硬件结构如图2所示。甲烷传感器一AZigBee无线通信模块11甲烷传感器—A信号调理电路」L.-厂-…I1报瞥模块It甲烷传感器I传感器］「十----Jf1•传感器2舛一―一一A数据选择I—最佳…"合-►数!传感器3卜；1一「LM_i_x于叶估的合法基贝斯计融算•nftNIII•I•融合结果输出置信距离矩阵A关系矩阵图1数据融合基本过程图2节点结构图2.1MCU选择MSP430系列单片机具有超低功耗，采用L8~3.6V的低电压，且系统有一种活动模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0-LPM4),同时数字控制振荡器(DCO)使得从低功耗模式到活动模式的唤醒时间小于63；采用目前流行的精简指令集(RISC)结构，具有强大的处理能力;集成了较丰富的片内外设。可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境2.2甲烷检测甲烷检测采用催化燃烧原理的甲烷传感器，其原理是:利用甲烷在载体催化元件上发生氧化燃烧,产生热量并引起电阻值的变化，然后利用转换电路实现甲烷浓度值的测量⑷。选用MJC4/3.0L型甲烷传感器，其检测元件和补偿元件配对组成电桥的2个臂，遇到瓦斯等可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化,该电压变量随其他浓度增大而呈正比例增大,补偿元件起参比及温湿度补偿作用，路桥输出电压呈线性,响应速度快,具有良好的可重复性，元件工作稳定,可靠。传感器信号采集及调理电路如图3所示，通过更改电位器，的阻值更改电路的放大倍数，使输出的电压范围在0~2.5V之间。使用MSP430自带的8路外部通道的12位A/D转换器，选择通道AO、A1、A2对3路甲烷检测信号同时采样,3路传感器调理电路的输出分别与单片机P6.0/...