基于无线传感网络的井下人员定位和瓦斯监测关键技术研究

摘要

煤矿安全生产和管理是项复杂的系统工程，其中有效的安全防御监测系统是其重要的组成部分，它在矿井安全生产方面起着决定性的作用。本文基于无线传感网络技术，研究和分析了用于煤矿安全井下人员定位和瓦斯监测关键技术，在此基础上建立了基于CC1110的井下SimpliciTI无线监测传感网络系统及红外吸收型瓦斯监测系统。具体有以下几个方面工作：
　　首先以波导理论为基础详细分析了电磁波在矩形和拱形巷道中的传输特性，分析了巷道中各参数对电磁波传输的影响。
　　系统分析了瓦斯浓度检测技术，矿井人员定位技术及无线通信中的帧同步技术，为煤矿安全防御无线监测系统及红外吸收型瓦斯监测系统的建立提供了技术支撑。
　　针对当前煤矿监测系统存在检测范围小、扩展困难的情况，提出了一种基于无线传感网络的新型煤矿安全与预警系统设计方案。该方案采用了射频芯片CC1110作为无线传感器的核心，结合SimpliciTI网络协议与外围极少数元件搭建了射频片上系统（SoC）。实验结果显示，网络中的节点具有传输距离远、可移动、通信稳定等特点，基本实现了对矿区环境参数的自动监测和报警。
　　基于气体红外光谱吸收原理，设计了一款电调制非分光技术的红外瓦斯检测系统。该系统采用单光路双波长技术，以红外LED光源IRL715防尘防水的吸收气室和热释电探测器件LIM-262组成光学探头，利用有源滤波和差分放大电路实现信号调制，采用二项式拟合瓦斯浓度－电压关系曲线，实现了对瓦斯浓度的精确探测。

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1.前 言

1.1课题背景与研究意义

1.2无线传感网络技术

1.3瓦斯气体检测技术

1.4受限空间电磁波的传输

1.5 煤矿安全监控系统

1.6主要研究任务和课题来源

2 巷道内电磁波传输理论研究

2.1受限空间内电磁波传输的基本理论

2.2 矩形巷道中电磁波的传输特性

2.3 拱形巷道中电磁波的传输特性

3 井下人员定位及瓦斯监测关键技术研究

3.1瓦斯浓度监测技术研究

3.2光谱吸收型红外瓦斯浓度检测技术

3.3 井下矿工人员定位技术研究

3.4 井下矿工人员定位技术

3.5基于最佳屏蔽序列偶的帧同步技术

4 基于无线传感网络的煤矿安全监控系统的研究

4.1 引言

4.2 无线传感网络原理

4.3地面监控平台系统设计

4.4基于CC1110的井下SimpliciTI无线监测传感网络

4.5系统软件设计

4.6 实验及结果分析

5 瓦斯浓度和温度双参数监控系统研究

5.1瓦斯浓度和温度双参数监控系统

5.2红外吸收型瓦斯监控系统

5.3 信号调理及采集电路

5.4 瓦斯监控系统性能实验

5.5 防尘防水措施

6 全文总结

6.1主要研究成果

6.2 本文创新点

6.3 对今后工作的建议

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及所取得的研究成果

致谢