基于ZigBee技术的井下信息采集系统

摘要

随着科技的高速发展，煤矿企业的安全体制机制也在逐步的完善。煤矿井下的环境极其特殊特别复杂，同时随着煤矿开采的深度、强度和规模的不断增加和扩大，使得井下开采危险系数也日益加大。一直以来我国煤矿事故发生频率居高不下，对井下的工作人员造成了重大伤亡和经济损失。由于现在煤矿企业的安全监控系统日益老旧，已经很难应用再满足我们的需求。将ZigBee技术应用于煤矿安全监测，将有效地掌握井下工作人员的动态分布和井下的环境因素，在事故发生后能够及时对井下工作人员展开营救，将人员伤亡和经济损失降低到最低限度。
　　本文基于ZigBee技术井下信息采集系统，从井下工作人员的安全出发，本系统的功能包括:对井下工作人员进行实时定位跟踪，还可以识别井下工作人员的身份，对于井下的环境进行安全预警等，实现对于井下工作情况进行有效监控与管理。本项目对ZigBee网络技术及协议标准进行了深入的分析，ZigBee技术具有成本低、体积小、功耗低、自组网等优点，所以可以在井下进行大量安装、井下人员可以随身携带等。与此同时ZigBee技术具有完善的协议标准，并且具有良好的性能和兼容性，由此得出了ZigBee技术在煤矿井下应用的可行性和优势。
　　论文介绍了系统的功能设备划分，系统在硬件设备部分采用了模块设计，包括CC2530模块、ZigBee路由器、定位分站、终端移动设备及光纤传输接口的电路设计。分析了井下特殊的工作环境和井下人员定位算法的特点，最后本文采用的算法是基于RSSI（信号强度）的质心定位算法，与多边测距相结合实现井下人员的实时定位。系统的软件部分采用以IAREW为平台，以TI公司的Z-Stack协议栈为基础，设计了定位系统的工作流程，应用Z-Location定位监视软件和ZigBee协议分析仪对系统进行仿真测试。最后完成该系统在实际中的应用。
　　基于ZigBee的井下人员信息采集系统具有精确定位、结构简单便于安装、成本低便于大量安装等优点，具有重要的社会应用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 井下定位系统国内外发展的状况

1．2．1 国外发展状况

1．2．2 国内发展现状

1．3 课题的研究内容与结构安排

第2章 ZigBee技术概论和IEEE802．15．4协议

2．1 几种无线通信技术比较

2．2 ZigBee技术发展情况及由来

2．2．1 ZigBee技术起源

2．2．2 IEEE 802．15．4标准

2．2．3 ZigBee技术特点

2．3 ZigBee协议栈结构

2．4 ZigBee技术的可行性

2．5 本章小结

第3章 系统方案与定位算法设计

3．1 系统组成

3．1．1 井上控制系统

3．1．2 井下定位系统

3．2 信息采集系统功能分析

3．3 井下人员定位方法

3．3．1 常用定位技术

3．3．2 基于RSSI算法研究及改进

3．3．3 多边测距法定位

3．4 本章小结

第4章 信息采集系统的硬件结构

4．1 系统方案选择

4．1．1 ZigBee模块方案的选择

4．1．2 CC2530芯片模块

4．2 定位分站的设计

4．2．1 ARM9微处理器

4．2．2 ARM最小系统设计

4．2．3 ZigBee路由器电路

4．3 终端硬件设计

4．3．1 对定位终端的要求

4．3．2 ZigBee无线模块

4．3．3 ZigBee无线模块外围电路设计

4．4 抗干扰电路设计

4．5 本章小结

第5章 信息采集系统软件设计

5．1 ARM开发平台的构建

5．1．1 引导程序加载

5．1．2 Linux内核移植

5．1．3 根文件系统移植

5．2 系统应用软件设计

5．2．1 Z-Stack协议栈

5．2．2 协议栈参数设置

5．3 组团协议

5．3．1 组团协议的由来

5．3．2 组团协议思想

5．4 PC机界面软件与通信软件设计

5．5 本章小结

第6章 系统测试及实现

6．1 CC2530模块测试

6．2 模块电路测试

6．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢