基于无线传感器网络的煤矿井下安全监控与人员定位系统研究

摘要

煤炭作为工业生产的重要能源，需求量不断增加，然而，由于煤矿作业不规范，预防工作不到位，各种煤矿事故频繁发生。煤矿事故不仅危害了矿工的人身安全，更给国家带来了巨大财产损失。本课题以改变当前落后的煤矿安全生产监控技术现状，解决煤矿安全生产监控中遇到的问题为目标，利用基于Zigbee无线传感器网络在煤矿安全生产监控中的优势，突破传统的监控技术路线，针对事故做到有效的预防，为煤矿安全生产监控提供科学可靠的监控数据。
　　文章研究的主要内容:
　　1.利用德州仪器的CC2530芯片设计并实现了一种基于ZigBee无线传感器网络技术的用于煤矿井下环境参数监控的低功耗传感器节点。节点采用无线方式传输数据，双电源方式供电，由于采用节能设计，可以保证节点在电池供电状态下正常运行20小时以上。该节点集多种传感器于一体，能采集多种环境数据，包括矿井下的温度、湿度以及瓦斯浓度，并可以根据环境参数控制排风扇的运作。
　　2.对现有煤矿井下定位系统进行了分析比较，提出了一种改进的基于时间平均的RSSI三角形质心定位算法，该算法是通过建立高概率发生区的RSSI值库，选取最优RSSI值，再将筛选后得到的测量值进行算术平均来改进定位精确度。实验表明改进后的定位算法可以最大程度消除测量值的噪声干扰与随机误差，从而可以有效的提高定位精度。
　　3.根据煤矿实际环境，开发出一套客户端监控软件，该软件可以对人员、节点进行信息管理，并具有动态接收、实时显示、报警处理和矿工定位等功能。
　　本设计将无线传感器网络应用到煤矿安全监控系统中，实现了煤矿井下数据的无线传输，弥补了现有煤矿监控系统的不足，具有一定的实用性和创新性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 我国煤矿安全监控系统现状

1．3 煤矿井下人员定位现状

1．4 论文的研究目的和主要内容

第2章 应用技术与系统结构

2．1 无线传感器网络概述

2．1．1 无线传感器网络研究现状

2．1．2 无线传感器网络的特点

2．1．3 无线传感器网络的应用领域

2．1．4 无线通讯技术比较

2．2 ZigBee技术

2．2．1 ZigBee技术概述

2．2．2 ZigBee技术特点

2．2．3 ZigBee寻址方式

2．2．4 ZigBee协议栈

2．2．5 ZigBee无线网络拓扑

2．3 系统结构

第3章 系统设计与实现

3．1 节点结构设计

3．2 硬件设计

3．2．1 CC2530简介

3．2．2 射频电路设计

3．2．2 数据采集电路设计

3．2．3 控制电路设计

3．2．5 电源电路设计

3．3 系统软件设计

3．3．1 系统软件开发环境

3．3．2 系统主程序设计

3．3．3 温湿度测量

3．3．4 瓦斯浓度测量

3．3．5 风扇动作控制

3．3．6 节点发送数据程序

第4章 煤矿井下人员定位算法性能仿真

4．1 煤矿井下人员定位算法的比较

4．2 煤矿井下人员定位系统软件设计思路

4．3 煤矿井下定位算法的选择与改进

4．3．1 煤矿井下定位算法选择

4．3．2 基于RSSI的三角形质心定位算法的数学模型

4．3．3 煤矿井下定位算法的实现

4．4 煤矿井下定位算法仿真

4．4．1 定位算法仿真

4．4．2 定位算法误差分析

第5章 系统界面开发与性能测试

5．1 上位机监控界面软件开发

5．2 系统调试

5．3 系统性能分析

5．4 系统调试结果分析

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

在校期间发表的学术论文及研究成果

致谢