基于ZigBee和GPRS的无线网络在煤矿安全中的应用研究

摘要

我国是一个产煤大国。近年来，煤矿安全事故却频频发生，造成了重大人员伤亡和巨大经济损失，形势非常严峻。这与我国煤矿安全信息技术的网络化程度不高密切相关。现有的煤矿安全信息系统基本上是通过有线网络建立的，随着煤矿的不断开采，煤矿井下的物理结构也不断地相应改变，原先设计好的有线网络传输系统不能灵活调整，很难做到完全地监测覆盖。因此，建立一套组网灵活，扩展性强，安全可靠的煤矿安全无线网络势在必行。 随着信息技术的发展，涌现出了许多无线网络技术。ZigBee技术作为一个新出现的无线个人区域网络(WPAN)通信技术，以其协议简单、成本小、功耗低、组网容易等特点，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间。通用分组无线业务GPRS是以全球移动通讯系统(GSM)为基础的数据传输技术。它不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，而且其本身就是一个分组型数据网，支持TCP/IP协议，可直接与hltemet互通。随着网络的完善，在包括煤矿安全在内的许多领域，GPRs得到越来越多的应用。 论文以上海市重大科技攻关资助项目“煤矿安全实时监测系统研究与应用”(032512075)为背景，通过对煤矿安全实时监测系统进行需求分析，引入了ZigBee和GPRS技术，结合两者优势，深入研究基于ZigBee与GPRS的无线网络在煤矿安全系统中的应用。 本文详细地剖析了ZigBee协议。结合煤矿行业的特殊性，设计出了一个适用于煤矿井下的无线网络拓扑结构。描述了ZigBee无线网络组网过程，对设备如何建立网络，加入网络等问题进行了研究。对现有的无线路由协议进行全面地比较，分析各个路由协议的特点，针对实际煤矿安全环境的需求，选用适当的路由协议。阐述了路由建立方法，定义了建立路由表，接收数据帧等问题的处理流程。 然后，阐述GPRS技术的特点与基本原理。分析了GPRS网络中的TCP/IP协议。从协议栈和速率匹配的角度，讨论了ZigBee协议数据与GPRS网络中传输的TCP/IP协议数据互转的可行性，设计了GPRS与ZigBee网关。 最后，介绍了系统的硬件设计方案，ZigBee采用了Freescale的MCl3192 DSK开发板，GPRS采用了索尼爱立信的GR64模块。描述了如何实现软件，结合课题项目，搭建了实验平台，进行系统集成。

目录

文摘

英文文摘

学位论文独创性声明及学位论文授权使用声明

第一章引言

1.1研究背景

1.2国内外研究现状分析

1.3论文的研究意义

1.4论文安排

第二章ZigBee协议研究

2.1 ZigBee技术简介

2.2物理层(PHY)

2.3媒介控制子层(MAC)

2.4网络层(NWK)

2.5应用层

2.6本章小结

第三章ZigBee组网研究

3.1网络拓扑结构设计

3.2 ZigBee组网过程

3.3 ZigBee网络自组织路由算法研究

3.4 ZigBee路由建立

3.5本章小结

第四章GPRS与ZigBee网关设计

4.1 GPRS技术

4.2 GPRS中的TCP/IP协议

4.3网关设计思想

4.4本章小结

第五章系统实现与集成

5.1井下无线网络实现

5.2 GPRS与ZigBee网关实现

5.3煤矿安全系统集成

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

附录

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间发表的学术论文