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根据中国物联网校企联盟的统计分析表明：zigbee虽然广受推崇，但是在数据中，推出zigbee相关产品的中小型企业在2012年的发展并不可观。
2.3 系统方案的选择
2.3.1 系统设计方案
针对此课题要求，需要以下两个模块，检测模块和主机模块。
RF天线 传感器 信号采集电路 CC2530 复位电路 通信电路 时钟芯片
图2.1 zigbee模块方案
复位电路 Zigbee模块 串口通讯 ARM 显示电路 报警电路 通信电路
图2.2 主机方案
方案总体框图如图2.1所示。本系统是以CC2530为检测模块进行现场检测，信号处
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理经由zigbee无线传输到主机中，主机以stm32为核心,具有信号的监控处理和报警显示，同时可以利用USB进行上位机开发，使用低成本单片机stm32进行书记处理和显示，可扩展性好，开发灵活，具有很高的实际开发价值。 2.3.2 传感器的选择
甲烷浓度检测仪器按其工作原理不同，有下列几种:
1.光干涉式
光干涉式是利用光波对空气和甲烷折射率不同所产生的光程差,引起干涉条纹移动来实现对不同甲烷浓度的测定。其优点是准确度高，坚固耐用，校正容易，高低浓度均可测量，还可测量二氧化碳浓度;其缺点是浓度指示不直观，受气压温度影响严重，特别是空气中氧气不足或氮、氧的比例不正常时,要产生误差;光学零件加工复杂，成本较高和实现自动检测较困难。
2.热催化式
热催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生热引起电阻的变化来测定甲烷浓度。其优点是元件和仪器的生产成本低,输出信号大，对于1%气样，电桥输出可达15mV以上，处理和显示都比较方便，所以仪器的结构简单，受背景气体和温度变化的影响小，容易实现自动检测。其缺点是探测元件寿命较短，不能测高浓度甲烷，硫化氢及硅蒸汽会引起元件中毒而失效。目前国内外检测甲烷的仪器广泛采用这一原理。
3.热导式
热导式是利用甲烷与空气热导率之差来实现甲烷浓度的测定。其优点是热导元件和仪器设计制作比较简单，成本低,量程大，可连续检测，有利于实现自动遥测，被测气体不发生物理化学变化，读数稳定，元件寿命长。其缺点是测量低浓度甲烷时输出信号小，受气温及背景气体的影响较大。
4.红外线式
红外线式是利用甲烷分子能吸收特定波长的红外线来测定甲烷浓度。其优点是采用这一原理的仪器精度高，选择性好,不受其它气体影响，测量范围宽，可连续检测;其缺点是由于有光电转换精密结构，使制造和保养产生困难，而且体积大，成本高，耗电多，因此推广使用受到一定限制。
5.气敏半导体式
气敏半导体的种类较多，如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物。这一原理是利用气敏半导体被加热到200℃时，其表面能够吸附甲烷而改变其电阻值来检测甲烷浓度。其优点是对微量甲烷比较敏感、结构简单、成本低。但当浓度大于1 %CH4时，其反应迟钝，选择性和线性均较差，所以很少用于煤矿井下甲烷浓度的检测，而多用于可燃气体的检漏报警。
6.声速差式
在温度为220℃、气压为101325Pa条件下，声波在甲烷中的传播速度为432m/s，而在清洁空气中为332m/s。比较这两种速度就可测定高浓度甲烷。其优点是读数不受气压影响,其缺点是不适合测量低浓度甲烷，一般只用来检测矿井抽放甲烷管道中的甲烷浓度，对背景气体、粉尘及气温变化很敏感。
7.离子化式
气体在放射性元素的辐射作用下发生电离，在气体介质中的两个电极之间便有电流产生。测量空气介质和被测甲烷中的电流大小，便可测出甲烷浓度。其优点是快速，可以连续自动检测，灵敏度高，测量准确，可测二氧化碳浓度。其缺点是测量低浓度甲烷困难，
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【11】【12】【13】
空气湿度对仪器读数有影响，传感器结构复杂。
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种传感器，而这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：1)量程的大小；2)被测位置对传感器体积的要求；3)测量方式为接触式还是非接触式；4)信号的引出方法，有线或是非接触测量；5)传感器的来源，国产还是进口，还是自行研制，价格能否承受。
热催化原理又称催化燃烧原理。利用该原理的甲烷测定器是当前国内测量低浓度甲烷的检测仪器中采用最广泛的一种，而且还在不断的提高和发展。其基本原理是根据甲烷在一定的温度条件下氧化燃烧，且在一定的浓度范围内，不同浓度的甲烷在燃烧过程中要释放出热量不同的特性。
根据煤矿瓦斯监测系统的基本要求以及对瓦斯爆炸极限浓度的了解，对选用的瓦斯传感器提出以下要求：
① 检测范围：0-4%瓦斯浓度，分辨率不能低于0.01%CH4。
② 报警功能：声光报警，1m远处的声响信号压级不能小于80db；20m远处可清晰可见；可以在测量范围内任意设置报警点，报警显示值与设定值差值不超过0.05%。
③ 响应速度：不能大于20s。
④ 传输距离：传感器使用电缆的单芯截面为1.5mm2时，传感器与控制主机的传输距离不能大于2km。
根据以上要求选择深圳鑫赛创电子科技有限公司生产的MJC4/3.0J催化燃烧式气体传感器
图2.2 MJC4/3.0L传感器
MJC4/3.0L型催化原件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测原件和补偿原件配对组成电桥的两个臂，遇到可燃气体时检测原件的电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿原件起参必以及温度补偿作用
具体参数如下图
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图2.3 MJC4/3.0L传感器参数
瓦斯传感器 MCJ4/3.0J根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大。电桥测量电路见图3-2所示：
RC M R1 E A Rd B R2
图3-3 电桥测量电路
上图中Rd为敏感元件，Rc为补偿元件。在空气中，Rd的电阻与Rc相似，调整电桥平衡，
dd
此时信号输出端电压UAB=0;当空气中有瓦斯时，在敏感元件R表面发生催化燃烧，R的电阻随着温度的上升而增加为Rd＋?Rd，而补偿元件Rc电阻不变，这样就导致电桥失去平衡。
当采用恒定电压供电时，电桥输出的不平衡电压为：
（1）
假设：
（2）
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此时， （3）
从式子（3）可以看出，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比，因此，在一定的范围内电桥输出电压与瓦斯浓度呈线性关系。
100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 气体浓度(vol%)
输出电压（mv） 图3-4 传感器输入输出特性曲线
因为传感器输出的电压信号比较小，需要放大电路将小电压信号放大，以满足数据采集卡采集的要求。这里我选择了武汉力源信息技术服务有限公司出售的INA128信号放大器，这种信号放大器功耗低、精度高，通用型单通道仪表放大器。
其主要特点：
① 低偏置电压：最大50μV
② 低温度漂移：最大0.5μV／℃ ③ 低输入偏置电流：最大5nA ④ 高共模抵制（CMR）：最小120dB ⑤ 输入保护至±40V
⑥ 宽电源电压范围：±2.25至±18V ⑦ 低静态电流：700μA
⑧ 8引脚塑料DIP和SO-8封装
图3-5 INA128信号放大器 放大电路如图3-6所示：
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