一种瓦斯传感器及其控制方法与流程

本发明属于传感器技术领域，涉及一种瓦斯传感器，具体涉及一种低功耗全量程快速的瓦斯传感器。

背景技术：

我国的煤炭出产量居世界首位，煤炭已经成为我国重要的经济支柱，虽然现在煤炭的重要位置已被石油所代，但由于石油存量的逐渐减少，必然走向衰败，而煤炭因为储量巨大，在今后相当长的一段时间内，随着科学技术的飞速发展，煤炭等新技术的日趋成熟，煤炭仍然是人类生产生活中的无法替代的能源之一。

然而，在我国矿井瓦斯爆炸问题也相当严重，所以我们必须要把瓦斯爆炸的可能性，其中最有效的方法是我们利用瓦斯传感器准确掌握矿井的瓦斯环境，甚至是提前预测到瓦斯环境，这样可以减少人员伤亡和财产损失。

目前广泛使用的瓦斯传感器大多是以单片机为核心的催化式瓦斯传感器，由于单片机本身的稳定性不足，加上矿底环境复杂、粉尘大、干扰源多等问题，大大降低了瓦斯传感器的可靠性。同样，根据催化式传感器的自身检测原理，致使如果想从结构上进行改变，加快检测速度是很困难的，并且通过检测元件温度的改变引起其电阻变化的检测原理仍有一定的不足，这样就会增大了工作成本，降低了工作效率，严重影响了安全，必须解决。

技术实现要素：

根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种低功耗全量程快速的瓦斯传感器，它可以使催化传感器在检测瓦斯气体时，始终处于恒温状态，减少了调校的次数，延长了瓦斯传感器的寿命，进一步的加强了对矿底环境的监控功能，保证了矿下工作人员的生命安全。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种瓦斯传感器，该传感器包括FPGA控制器、声光报警模块、无线通讯模块和变流瓦斯检测电路,所述声光报警模块、无线通讯模块和变流瓦斯检测电路分别与FPGA控制器连接。该传感器还包括红外控制模块，所述红外控制模块与FPGA控制器连接。该传感器还包括声光报警模块，所述声光报警模块与FPGA控制器连接。所述传感器还包括显示电路，所述显示电路与FPGA控制器连接。该传感器还包括为整个系统供电的电源模块，电源模块包括三端稳压器和电压调节器。该传感器还包括外扩存储器，外扩存储器与FPGA控制器连接。

一种瓦斯传感器的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、整个瓦斯传感器系统进行自检以及初始化，包括BP算法的训练，FPGA上电配置，FPGA端口设定；步骤二、将片外存储器预先存储的训练好的BP神经网络初始权值和阈值以及前6个时刻的瓦斯浓度读出到FPGA片内存储器；步骤三、查看红外遥控是否发出控制信号，如果有控制信号发出，则分析发射命令码，按照命令码的要求对瓦斯传感器的零点、报警值、断电值等参数的进行遥控设定，修改完毕后则根据变流瓦斯检测电路检测该时刻瞬时的瓦斯浓度；如果没有控制信号发送，则直接根据变流瓦斯检测电路检测出矿底的瓦斯浓度；步骤四、用BP神经网络算法以该时刻的前7个瞬时的瓦斯浓度采样值，计算当前时刻的瓦斯浓度稳态值，用预测出来的瓦斯浓度稳态值与瓦斯浓度的警戒值相比较，判断是否存在危险，如果有，首先通过声光报警电路，进行报警，给予工作人员警示，然后通过无线通讯模块，将危险信息传递给其他瓦斯传感器；如果没有，则通过LED显示模块显示预测出的该时刻的稳态瓦斯浓度值，并将浓度值通过无线传感网络与其他传感器进行信息传送。

本发明有益效果是:1.稳定，低功耗，不会受矿底恶劣环境的影响；2.可以快速的预测该时刻的稳态瓦斯浓度，为矿底工作人员增加安全系数；3.延长瓦斯传感器的寿命，减少对瓦斯传感器的调校次数；4.可以有无线通讯功能，能够已经组网的矿下，进行各传感器之间信息的流通；5.具有红外遥控次数，减少对瓦斯传感器参数设定的人工手动调节；6.实时显示矿底的瓦斯浓度，让矿底工作人员时刻了解矿底环境；7.具有声光报警装置，在瓦斯浓度超过警戒值的时候，可以进行报警，引起工作人员的注意。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明的具体实施方式的系统结构图。

图2是本发明的具体实施方式的系统流程图。

图3是本发明的具体实施方式的BP神经网络结构图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1所示，该系统包括FPGA控制器、外部存储器扩展模块、声光报警模块、无线通讯模块、红外控制模块等电路系统；软件包括BP训练学习程序、LED显示程序、外部存储器数据存储程序等，只有密切配合硬件和软件的工作，才可以组成一个高性能的系统。

FPGA控制核心：选用EP2C5系列的芯片的EP2C5Q208C8芯片，利用芯片内部大量的逻辑单元、M4K RAM块、嵌入式乘法器、用户I/O口、差分通道等内部资源，保证本次设计的可靠性和低功耗的要求。

变流瓦斯检测模块：改变传统的惠斯通桥路检测电路，通过变流的方式使载体催化元件几乎保持恒温状态，扩大了瓦斯传感器的检测量程，并延长了传感器的调校周期，减少调校次数，增加了瓦斯传感器的寿命。

电源模块：用LM7805三端稳压器和AMS1117电压调节器为整个系统提供电源，LM7805及AMS1117输出电压稳定，保证了系统电源的稳定性。

显示模块：四个数码管实时反映当前瓦斯浓度稳态值。

声光报警模块：利用闪光报警、鸣音报警，在矿底瓦斯浓度处于危险状态时，引起警觉作用。

红外控制模块：选取的是BL9148/BL9149发射/接收芯片实现对瓦斯传感器的零点及精度调整、报警值、断电值等参数的进行遥控操作，具有一定的抗干扰性，满足在矿底环境下不可以进行键盘操作的要求。

无线网络模块：选用的是ZigBee无线通讯网络的通讯方式，实现瓦斯传感器组网之间各个瓦斯传感器相互信息的传递，减少在矿底大面积布线，不仅降低了布线成本，还提高了信号传输的可靠性。

本设计以FPGA为核心控制器，在Quartus II软件设计平台上以VHDL硬件描述语言进行编程设计结合了BP神经网络算法，无线网络传输，红外控制以及声光报警和LED显示的瓦斯传感器。如图2所示，整个设计的流程可以概括为以下几步：

1.整个瓦斯传感器系统进行自检以及初始化，包括BP算法的训练，FPGA上电配置，FPGA端口设定等；

2.将片外存储器预先存储的已经训练好的的BP神经网络初始权值和阈值以及之前6个时刻的瓦斯浓度读出到FPGA片内存储器；

3.查看红外遥控是否发出控制信号，如果有控制信号发出，则分析发射命令码，按照命令码的要求对瓦斯传感器的零点、报警值、断电值等参数的进行遥控设定，修改完毕后则根据变流瓦斯检测电路检测该时刻瞬时的瓦斯浓度；如果没有控制信号发送，则直接根据变流瓦斯检测电路检测出矿底的瓦斯浓度。

4.用BP神经网络算法以该时刻的前7个瞬时的瓦斯浓度采样值，计算当前时刻的瓦斯浓度稳态值，用预测出来的瓦斯浓度稳态值与瓦斯浓度的警戒值相比较，判断是否存在危险，如果有，首先通过声光报警电路，进行报警，给予工作人员警示，然后通过无线通讯模块，将危险信息传递给其他瓦斯传感器；如果没有，则通过LED显示模块显示预测出的该时刻的稳态瓦斯浓度值，并将浓度值通过无线传感网络与其他传感器进行信息传送，以便对矿底整体环境的掌握。

如图3所示，本发明的BP网络模型：由输入层，隐含层和输出层三部分组成：拓扑结构是7-15-1结构。BP神经网络在本设计中的作用是根据当前时刻前7个每隔0.5秒采样的瞬时瓦斯浓度预测当前时刻的稳态瓦斯浓度，输入层是7个节点，隐含层是15个节点，输出层是1个节点。

在本设计的BP网络拓扑结构中：

输入层输入向量x＝x(x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7)T，x1～x6是当前时刻之前的每隔1秒钟的瓦斯浓度，x7瓦斯传感器响应12秒时刻的瓦斯浓度；

隐含层输出向量H＝h(h1，h2，…，h7，…，h15)T，

输出层输出向量Y＝y，是BP神经算法预测出来的当前瓦斯浓度；

期望输出向量D＝d，是实际当前时刻的瓦斯浓度：

输入层到隐含层的权值向量W＝w(w1，w2，…，w7，…，w15)T，(-1，1)中随机给出；

隐含层到输出层的权值向量V＝(v1，v2，…，v7，…v15)T，(-1，1)中随机给出；

隐含层的阈值向量A＝a(a1，a2，…，a7，…，a15)T，，(-1，1)中随机给出；

输出层的阈值向量B＝b，(-1，1)中随机给出；

误差e，是设计的精度，这里取值为0.002。

本发明利用变流检测技术测量瓦斯浓度，扩大瓦斯传感器的调校周期，延长瓦斯传感器的使用寿命；发挥FPGA的低功耗与吞吐率快的优势，以FPGA作为核心，进行硬件设计，提高瓦斯传感器的反应速度；融合BP神经网络算法，通过BP神经网络算法的训练和学习，使瓦斯传感器具有一定的监控和预测作用：扩展无线通讯功能，可以将矿底的瓦斯传感器进行组网，便于信息的流通。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。