[0001] 本实用新型涉及矿山传感监测技术领域，尤其涉及一种基于压缩感知的矿用网络化气体传感器。

[0002] 伴随着金矿的不断开采，井下作业施工条件也日益恶劣，安全问题也逐步显现。为了保障井下作业的安全性和可靠性，需要放置大量的传感器，用以实现对矿井环境的监测，达到对井下温度、湿度、震动感应等相关信号的实时监测，以保障井下人员的安全。

[0003] 但是，矿区作业区域的广阔性导致了传感器与传感器之间有时距离相差甚远，不仅会出现在传输过程中传感信号容易被干扰的问题，而且还存在各传感器之间彼此独立且并不能进行彼此间的监测信息交流的现象，再加上井下进行长时间的供电也具有一定的困难性，日积月累地连续运行中传感器即使出现了技术问题，后续的相关维护也给工作人员带来很大的困难和较高的成本。因此，寻求低成本、低功耗、小型化的无线网络气体传感器以实现对井下环境高质量、高速度、长时间信息监测，具有十分重要的现实意义。

[0004] 公开号为CN111350546A的发明专利提供了一种煤矿瓦斯监测系统，其主要包括监测节点，集中器，网关和监测平台。监测节点由STM32F103C8T6作为主控处理器，使用MQ‑5气体传感器作为瓦斯浓度的采集装置，以及必要的电源电路，时钟电路，复位电路，声光报警电路等；当采集到的瓦斯浓度高于预先设定的阈值则声光报警，并将信息通过Lora传输到集中器；集中器同样采用STM32F103C8T6作为主控处理器，集中器主要承担信号的收集及处理并将汇总的信息通过以太网控制模块与井下光纤骨干网络通信并将信息沿着光线骨干网通过交换机传输至监控中心。但是，该监测系统存在信号传输精度不佳、抗干扰性差以及噪音大的技术问题。

[0005] 有鉴于此，有必要设计一种改进的精度高且稳定性强的基于压缩感知的矿用网络化气体传感器，以解决上述问题。实用新型内容

[0006] 本实用新型的目的在于提供一种基于压缩感知的矿用网络化气体传感器，构建低成本、低功耗、小型化的无线网络传感器系统结构来实现对环境高质量、高速度、长时间信息监测，并且能够进一步实现高精度、高抗干扰性能以及低噪音的技术效果。

[0007] 为实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种基于压缩感知的矿用网络化气体传感器，其包括单片机最小系统、时钟电路、电源电路、滤波传感器及放大电路、晶振电路以及以太网接口电路；其中，

[0008] 所述时钟电路由电容、二极管以及控制芯片组成；

[0009] 所述晶振电路与所述时钟电路电连接，用于稳定时钟信号的源。

[0010] 作为本实用新型的进一步改进，所述晶振电路为外部晶振电路，包括外部高速晶振电路和外部低速晶振电路，外部低速晶振电路主要用于给单片机最小系统MCU内部时钟电路使用。

[0011] 作为本实用新型的进一步改进，所述单片机最小系统设置有芯片STM32，包括ADC转换模块；

[0012] 气体信号传输至单片机最小系统后，所述单片机最小系统控制ADC转换模块进行信号随机采样。

[0013] 作为本实用新型的进一步改进，所述电源电路为TP5400电源电路。该电路可以输出最大1A充电电流，整个电源电路主要是通过改变PROG引脚上的电阻阻值来改变充电电流从而为单片机、W5500和放大器等系统电路进行供电。

[0014] 作为本实用新型的进一步改进，所述滤波传感器及放大电路包括滤波器电路和放大电路，所述滤波器电路与所述放大电路之间电连接，用于整流去噪并实现信号放大。

[0015] 作为本实用新型的进一步改进，所述以太网接口电路主要通过串行通信接口与MCU相连接，实现数据的传输，它的核心特性在于可以提供一个可靠、高效、可扩展的串行通讯服务，从而实现网络中的信息交换。

[0016] 作为本实用新型的进一步改进，所述基于压缩感知的矿用网络化气体传感器还包括与以太网接口电路连接的W5500核心电路，该电路主要由W5500芯片组成，W5500芯片是一种集成了全硬件TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器。

[0017] 作为本实用新型的进一步改进，所述基于压缩感知的矿用网络化气体传感器还包括外接保护电路；所述外接保护电路采用加入相应的二极管的电路设计对下载和串口接口实现过流保护和过压保护，起到防止故障发生从而造成器件损坏的作用。

[0018] 作为本实用新型的进一步改进，所述基于压缩感知的矿用网络化气体传感器还包括复位电路。

[0019] 作为本实用新型的进一步改进，所述基于压缩感知的矿用网络化气体传感器还包括下载电路；所述下载电路分别与所述单片机最小系统、PC端电连接。

[0020] 本实用新型的有益效果是：

[0021] 1、本实用新型提供的基于压缩感知的矿用网络化气体传感器，构建低成本、低功耗、小型化的无线网络传感器系统结构来实现对环境高质量、高速度、长时间信息监测，并且能够进一步实现高精度、高抗干扰性能以及低噪音的技术效果。其中，单片机最小系统通过采用单片机的最小化技术，可以有效地减少复杂的部分，并且把多个功能的电子模块结合起来，构建一个更加紧凑、高效的微控制器，实现与传感器数据的交互。传感器采集到的原始数据通过串口传输至单片机最小系统。在这个过程中，单片机最小系统对传感器输出的数据进行压缩感知处理，减少数据的传输量，避免了数据浪费。

[0022] 2、本实用新型提供的基于压缩感知的矿用网络化气体传感器，经过压缩感知处理后的数据通过以太网接口电路与PC端连接，上传至MATLAB串口助手或其他串口监控程序进行重构和处理。在PC端，通过解压缩算法将压缩后的数据恢复为原始数据，从而实现了对原有信号的有效恢复。

[0023] 3、本实用新型提供的基于压缩感知的矿用网络化气体传感器，通过单片机最小系统与以太网接口电路连接，实现与其他传感器之间的信息交流，同时通过网络化设计，实现了矿用气体传感器的远程监控和管理，提高了运维效率。

[0034] 为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。

[0035] 在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

[0036] 另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

[0037] 请参阅图1至图10所示，本实用新型提供了一种基于压缩感知的矿用网络化气体传感器，包括单片机最小系统、分别与所述单片机最小系统相连接的滤波传感器及放大电路、复位电路、时钟电路、晶振电路、以太网接口电路、W5500核心电路和下载电路、用于为所有电路提供电源的电源电路、与所述下载电路相连接的外接保护电路。

[0038] 请参阅图1所示，所述单片机最小系统设置有芯片STM32。如此设置，通过采用单片机的最小化技术，能够有效地减少复杂的部分，并且把多个功能的电子模块结合起来，构建一个更加紧凑、高效的微控制器。

[0039] 所述单片机最小系统包括ADC转换模块；

[0040] 气体信号传输至单片机最小系统后，所述单片机最小系统控制ADC转换模块进行信号随机采样。

[0041] 请参阅图2所示，所述电源电路为TP5400电源电路。如此设置可以输出最大1A充电电流，整个电源电路主要是通过改变PROG引脚上的电阻阻值来改变充电电流从而为单片机、W5500和放大器等系统电路进行供电，使得矿用传感器的性能得到充分的发挥。电源电路相比较于其他电路模块，在整个电路中起到的作用主要是提供电源，而电源也是电路得以正常运行的必要条件。

[0042] 请参阅图3所示，所述滤波传感器及放大电路包括滤波器电路和放大电路，所述滤波器电路与所述放大电路之间通过电连接。如此设置，能够整流去噪的同时实现信号的放大。放大电路将输入信号放大后进行输出，对信号进行调理确保采样信号的高质量性。在进行数据处理之前，先进行一些适当的调整，从而提高数据的可靠性和可读性。信号调理这一过程的实现主要是通过将传感器的输出信号，即放大器的输入信号，也称之为待测信号进行放大滤波，确保转换器可以顺利识别。

[0043] 请参阅图4所示，所述复位电路能够使系统从异常状态中恢复正常工作，在系统电源通电时，将所有的内部寄存器、计数器、状态机等都清零，使系统初始化，从而确保系统每次开机时都处于和上一次开机时一模一样的原始状态。

[0044] 请参阅图5所示，所述时钟电路主要由三部分组成，包括电容、二极管以及控制芯片。如此设置，能够通过对信号进行分频和处理，从而将其产生新的信号转换为有效的时钟信号，并将其安全传输至指定的位置。通过调整和优化，确保系统中的每个组件都能够正常运行。让系统里各部分工作时使用。让系统里各部分工作按时进行，任何工作运行都有一定的顺序执行。

[0045] 请参阅图6所示，所述晶振电路与所述时钟电路电连接，用于稳定时钟信号的源；所述晶振电路为外部晶振电路，包括外部高速晶振电路和外部低速晶振电路，外部低速晶振电路主要用于给MCU内部时钟电路使用。

[0046] 所述晶振电路能够保证让时钟信号能以更精确、更稳定的状态提供给单片机，以使整个系统的各部分工作均可顺利开展，可以避免单片机内置RC振荡器不稳定和抗干扰性差的问题，提供更高精度、低抖动的时钟信号，从而确保系统的可靠性和稳定性。

[0047] 请参阅图7所示，所述以太网接口电路主要是通过串行通信接口与MCU相连接，如此设置，实现数据的传输，它的核心特性在于可以提供一个可靠、高效、可扩展的串行通讯服务，从而实现网络中的信息交换。

[0048] 请参阅图8所示，所述W5500核心电路主要由W5500芯片组成，W5500芯片是一种集成了全硬件TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器。在以太网通信中W5500提供了一种更简单、更高效的方法实现网络连接，并针对易于集成、高稳定性、高性能和成本效益至关重要的嵌入式应用进行了优化升级。

[0049] 请参阅图9所示，所述外接保护电路采用加入相应的二极管的电路设计，如此设置，可以实现对下载和串口接口实现过流保护和过压保护，起到防止故障发生从而造成器件损坏的作用。

[0050] 请参阅图10所示，所述下载电路为单片机提供程序下载功能，还能与电脑进行数据交换。所述下载电路的存在可以实现把编译后的程序的二进制文件“下载”到单片机的存储器中使得程序可以在单片机上顺利运行。

[0051] 下面结合具体的实施例对本实用新型提供的基于压缩感知的矿用网络化气体传感器的工作原理进行进一步说明：

[0052] 整个系统通过气体传感器采集数据，然后通过滤波传感器电路和放大电路对信号进行去噪和放大，接着通过触发器模块产生信号，通过ADC转换模块将采样数据通过单片机最小系统经由以太网完成信息的传输、下载和调试任务。整个过程中，单片机最小系统通过ADC的通道采集传感器数据并完成轮询检测电池电量任务，通过以太网发送检测值，从时钟电路中获取系统时间，通过复位电路对单片机最小系统进行复位，单片机的相关接口可以提供相应的下载和调试功能。同时，整个系统通过晶振电路为单片机提供时钟源，晶振电路产生稳定的振荡频率，为单片机提供精确的时钟信号，以确保单片机的正常运行和各种操作的同步。

[0053] 基于压缩感知的矿用网络化气体传感器中，单片机最小系统作为整个系统的核心，协调和管理各电路模块的工作，电源电路为电路模块提供必要的电源，复位电路连接到单片机最小系统，时钟电路和晶振电路连接到单片机最小系统，为单片机提供时钟信号，以太网接口电路连接到单片机最小系统，外接保护电路连接到电源电路，W5500核心电路连接到单片机最小系统和以太网接口电路，进行与上位机通信，下载电路连接到单片机最小系统，进行程序下载和数据交换。

[0054] 综上所述，本实用新型提供了一种基于压缩感知的矿用网络化气体传感器，通过设置包括单片机最小系统、电源电路、复位电路和以太网接口电路等集成电路结构，采用了差分放大电路和有源低通滤波电路优化了电路调理。单片机最小系统通过采用单片机的最小化技术，可以有效地减少复杂的部分，并且把多个功能的电子模块结合起来，构建一个更加紧凑、高效的微控制器，实现与传感器数据的交互。通过这些设计，实现了以低成本、低功耗、小型化的无线网络传感器对环境进行高质量、高速度、长时间信息监测，并且能够进一步实现高精度、高抗干扰性能以及低噪音的技术效果。

[0055] 以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。