基于ARM与ZigBee的矿井安全监测系统研究与设计

摘要

近几十年我国的经济飞速发展，对能源的需求也日益增多，而对于我国富煤、少油、缺气的能源现状，煤炭对我国经济社会的发展起到至关重要的作用。近年来随着煤炭开采规模的不断扩大，开采能力不断提升，工作强度加大，使得矿难事故频发，不仅影响我国经济发展，同时也给人们的生命财产带来一定的损失。所以，研究开发出用于井下环境监测的系统，来实时监测井下环境参数，对于预防矿难事故，减少事故发生概率是十分必要的。
　　本设计采用无线技术建立井下通信网络来完善井下监测系统。将 ARM技术与ZigBee无线组网技术相结合，采用不同的控制方式，并在吸收融合现在煤矿监控系统中先进技术的基础上，设计了ARM处理器和ZigBee无线组网技术相结合的应用方案。并且融合了TCP/IP和CGI技术，实现了对井下环境进行远程实时的监测和管理，有效提高了井下作业的安全性。本设计中安全监测系统主要由网关(主控制器ARM9)、终端设备、矿井无线数据采集网络、外部通讯网络四部分组成，其中无线数据采集网络包括协调器、路由器和终端节点，终端设备主要负责采集矿井可燃气体浓度、温度以及湿度等环境参数。
　　网关部分的硬件平台采用外设资源丰富的TQ2440开发模块，以三星公司的S3C2440A作为主控芯片，并在上面移植了U-Boot、Linux内核、yaffs2文件系统以及Boa与CGI构成的Web服务器等。无线通信部分使用功耗低、性能优越的CC2530芯片作为 ZigBee无线组网的主控芯片，网络中有三种设备节点：协调器用于网络的建立和管理、并接收网络中各路由节点的信息；路由器允许其它节点加入网络，并作为协调器和终端节点通讯桥梁；终端设备主要用于目标区域的数据采集等应用。本设计中终端节点通过DHT11温湿度传感器和MQ-2气体传感器分别采集井下温湿度及可燃气体浓度等环境信息。
　　在系统软硬件设计完成的基础上，经过系统整体功能测试，系统运行稳定，数据传输正常，实现了对井下环境信息的实时监测，达到了设计要求。

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1 绪论

1.1 研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文组织结构

2 系统总体设计

2.1 矿井安全监测系统设计需要考虑的因素

2.2 系统总体结构设计

2.3 数据处理模块硬件平台

2.4 无线通信系统硬件平台

2.5 本章小结

3 嵌入式网关软件设计

3.1 嵌入式开发平台建立

3.2 Bootloader移植

3.3 Linux内核的移植

3.4 根文件系统的制作与移植

3.5嵌入式Web服务器Boa的移植

3.6本章小结

4 无线通信网络设计

4.1 ZigBee概述

4.2 ZigBee数据类型和拓扑结构

4.3 ZigBee协议框架

4.4 TI-Zstack软件架构

4.5 ZigBee节点软件结构

4.6 传感器程序设计

4.7 本章小结

5 系统功能测试

5.1 无线节点功能测试

5.2 系统总体测试

5.3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果