无线传感器网络在煤矿安全监测中的应用

摘要

中国能源需求的67％来自煤炭，近年来煤矿开采造成的各种煤矿事故仍然高居不下，给国家和人民生命财产造成巨大损失。为了满足国民经济高速发展的需要，煤矿安全正成为全国工业安全生产工作的重中之重。目前传统的RFID技术有效作用距离很短，如何解决井下无线通信距离受限这一瓶颈问题，将井下的温度、湿度、瓦斯气体浓度及时有效地传输到地面的监测系统是现阶段煤矿安全监测面临的巨大挑战。努力发展无线传感器网络在煤矿开采行业中的应用，从而有效地检测潜在的危险以及在事故发生之后做好应急处理的工作将成为未来煤矿开采行业的整体布局重点。 本文从体系角度阐述了无线传感器网络的关键技术，重点介绍了一种针对煤矿井下温度、湿度和瓦斯气体浓度监测的全新的无线传感器网络的体系设计及节点的硬件和软件设计及实现。硬件设计主要包括便携式传感器节点设计和基站传感器节点设计：便携式传感器节点包括了瓦斯传感器应用电路设计，温湿度传感器应用电路设计，电池电源和电压检测电路设计，声光振动报警电路设计，LCD显示电路设计；基站传感器节点主要包括RS485工业总线电路设计以及外部传感器节点设计。软件设计包括温度、湿度和瓦斯气体浓度的采集，节点间的通信等。此外，本文实现了基于IEEE802.15.4/ZigBee标准的无线通信网络的设计，同时对所构成的无线传感器网络进行了实验及数据分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2无线传感器网络发展概况及现状

1.3无线传感器网络带来的挑战和机遇

1.4课题研究背景、研究内容及创新点

1.4.1论文背景

1.4.2主要研究内容

1.4.3创新点

1.5本文的工作和组织结构

第2章 无线传感器网络概述

2.1无线传感器网络的构成

2.2传感器节点的结构

2.3传感器网络体系结构

2.4传感器网络的特点

2.5传感器网络的支撑技术

2.5.1定位技术

2.5.2时间同步

2.5.3通信模式与协议

2.5.4组织结构

2.5.5数据管理技术

2.5.6资源管理与任务分配

2.5.7安全问题

第3章 系统整体方案设计

3.1矿井安全监控系统的总体功能需求

3.1.1系统数据处理流程

3.1.2系统体系结构

3.1.3系统功能模块

3.2技术路线与分析

3.2.1目前主流的无线网络技术

3.2.2选择ZigBee的原因

3.3 IEEE802.15.4/ZigBee标准

3.3.1概述

3.3.2 IEEE802.15.4/ZigBee协议框架

3.3.3 ZigBee技术参数

3.3.4 IEEE802.15.4/Zigbee无线网络拓扑

3.4煤矿安全监测系统的拓扑结构

3.5无线传感器的定位

3.5.1基本概念描述

3.5.2节点间距离(或角度)的测量方法

3.5.3节点定位计算方法

第4章 系统硬件设计

4.1设计输入概述

4.2射频芯片的选择

4.2.1 JN5121概述

4.2.2 JN5121主要特性

4.3主要传感器选型

4.3.1温湿度传感器

4.3.2瓦斯传感器

4.4硬件总体结构

4.5 JN5121数据处理及无线收发模块

4.6便携式传感器节点硬件电路设计

4.6.1瓦斯传感器模块

4.6.2温湿度传感器(应用电路)

4.6.3电池电源和电压检测

4.6.4声光震动报警

4.6.5 LCD显示电路

4.7基站传感器节点功能板

4.7.1电源

4.7.2 RS485工业总线接口

4.7.3外部传感器扩展接口

4.8 PCB设计

4.8.1印刷电路板具体设计步骤

4.8.2节点PCB图

4.9硬件实物图

第5章 系统软件设计

5.1开发环境介绍

5.2设计要求分析

5.3数据通信件设计

5.3.1读取电池电压

5.3.2读取温湿度

5.3.3路由器将完整的信息传输到协调器

5.3.4协调器功能实现

5.4实验数据分析

5.5监测系统界面设计

结论与展望

1全文结论

2研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士研究生期间发表的论文