基于ZigBee井下长距离通信系统的研究与设计

摘要

矿井开采现代化、智能化程度越来越高,其环境安全监测受到高度重视,建立更加安全的生产环境,既保证了生产效率,也能减少事故的发生。因此,建立一套完整的井下长距离无线通信系统对井下的环境监测及安全生产将发挥重要的作用。
　　 基于现有矿井下有线通信系统成本高,功能局限性,不方便携带等问题,本文设计了一种基于ZigBee井下长距离通信系统方案。根据ZigBee技术其低功耗,短距离,低速率等特点,建立轻便的ZigBee网络通信节点,结合有线通信系统安装在井下巷道里,进行井下长距离通信,完成对多种环境参数的监测。通过实时掌握生产环境参数,为井下生产工作提供安全保障,进一步提高井下生产效率。
　　 本文研究内容及主要工作如下:
　　 (1)通过对ZigBee协议层进行研究,详细分析网络拓扑类型,节点功能类型,网络地址的分配机制,路由协议思想及工作机制。在此基础上,以AODV路由算法的简化算法AODVjr为基础,嵌入Cluster-Tree算法,形成结合路由算法ZBR。通过执行ZBR路由算法仿真ZigBee网络建立,节点加入网络及数据通信过程,并对该过程进行详细分析,结果显示执行ZBR算法能够选择跳数更少的通信路径,减少通信时延,会为井下环境数据实时监测提供更切实的保障。
　　 (2)根据ZigBee通信系统及嵌入式设计原则,设计出ZigBee网络组网实验方案。采用射频芯片及距离扩展芯片,增加节点间的直接通信距离,并采用路由节点进行多跳组网方式,扩大网络覆盖范围。进行了网络节点硬件电路设计,完成了相关电路制作,并进行相关电路测试,保证了硬件系统的稳定运行,为进一步网络测试提供实验保障。
　　 (3)在完成硬件平台情况下,进行了上位机ZigBee数据采集系统开发,完成数据采集系统。同时开发了应用软件实例,并进行了星型网络和树型网络测试。网络测试结果说明ZigBee通信技术应用于矿井下进行长距离通信是比较理想的选择。本文最后总结了相关内容及成果,也提出了系统需要改善的地方及进一步的研究方向。