基于WSN的金属矿井矿车定位及安全监测系统研究

摘要

我国金属矿资源丰富，矿车是矿山生产的一种重要纽带运输装备，主要用于运输、提升或装载矿石、材料与人员，然而矿难事故却时常发生。针对现有井下矿车监测系统的布线困难、信息化和可视化水平低等问题，研究并设计了一种基于WSN的地下矿车定位及安全监测系统，实时、合理、高效的调度矿车，从而有效提高了金属矿井安全生产水平与救灾效率。文章重点介绍了系统总体方案、节点软硬件设计、系统定位与跟踪算法的选择及优化、ZigBee组网路由协议及算法的改进、上位机管理系统的开发及实验验证。
　　（1）首先分析了金属矿井地下矿车监管现状、不足和未来安全监测要求，结合调研，对井下环境，电磁波在井下传输特性与损耗，以及节点方向对信号传输的影响分析与研究后，提出了系统的总体方案设计以及三类节点的部署方式。
　　（2）选择了ZigBee网状拓扑组网方案，并提出了改进路由算法AODV-RD来形成自恢复能力的多跳MESH路由线路，为系统数据的稳定传输提供最优路线。
　　（3）在基于CC2530核心芯片上进行汇聚节点、固定参考节点、矿车车载移动未知节点的硬件电路设计。在分析了这三类节点的主要工作流程后，利用IAREW8051软件实现了三类节点的组网软件开发。
　　（4）针对选取的RSSI定位算法和PF跟踪算法实现矿车的定位跟踪并进行仿真，通过参数优化及二次线性拟合推导出信号传输的测距模型，并提出加权质心算法使平均定位误差降低了74.94％，PF跟踪算法相比于EKF与UKF算法的跟踪误差最小。
　　（5）本系统还应用RBF神经网络对矿车的速度进行预测预警，其预测值的均方误差为0.04695明显小于BP神经网络的0.11796，预测精度较好，能够很好的符合系统设计的要求。
　　文章采用PC机、CC2530节点与智能小车搭建了一个简易的系统进行实验，通过基于LabVIEW和C＃语言开发的上位机系统对定位与跟踪效果比较和分析，验证了系统在井下应用的合理性与可行性。系统成本低、稳定性与可靠性好、功耗低、鲁棒性强，弥补了现有金属矿井监测系统的不足，具有较高实用价值和创新性。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 无线传感器网络结构及优势

1.3 WSN定位技术研究现状

1.4 矿车定位监测技术的研究现状

1.5 本论文的组织工作及技术路线

第二章 井下矿车定位及监测系统总体设计

2.1 金属矿井井下环境分析

2.2 井下无线通信技术的选取与应用

2.3 井下定位监测系统的设计

2.4 矿井巷道中电磁波的传输特性及损耗

2.5 节点天线辐射场强及部署方向分析

2.6 网络各节点部署方式

2.7 本章小结

第三章 井下矿车定位及安全监测系统软硬件设计

3.1 节点硬件芯片选型

3.2 系统各模块硬件结构设计

3.3 系统各模块的软件设计

3.4 本章小结

第四章 ZigBee网络路由协议的研究及优化

4.1 无线网络路由协议简介

4.2 ZigBee网络路由协议及算法介绍

4.3 AODV路由协议的优化与改进

4.4 本章小结

第五章 系统定位跟踪算法的研究与优化

5.1 矿井下定位算法的选取

5.2 基于RSSI定位算法的原理及参数优化

5.3 RSSI定位算法的模拟仿真及改进

5.4 基于粒子滤波算法对矿车轨迹的跟踪

5.5 本章小结

第六章 实验测试及研究分析

6.1 上位机管理系统功能及原理分析

6.2 上位机管理系统设计

6.3 实验性能测试平台介绍

6.4 系统整体测试结果及数据分析

6.5 基于RBF神经网络对速度的预测及分析

6.6 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 总结

7.2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果