基于Mesh网络井下救灾环境参数监测系统的设计与实现

摘要

近年来，国内煤矿事故发生越来越频繁。煤矿事故多数发生于地下煤矿，一旦发生事故，煤矿原有的通信系统将可能失效，这将极大地阻碍矿难发生后井下的救援工作。目前，我国井下应急救灾通讯设备仅能提供语音或简单数据信息，无法全面反映灾害区域的实际情况。另外，由于井下地理环境特殊，巷道错综复杂，使得矿井下通信以及发生煤矿事故后救援行动难以实现。同时，救援过程中极易发生各种次生灾害，对各种次生灾害的担忧和无法准确判断往往会严重迟滞救援工作的开展。本文正是基于这样的背景，依托于国家科技支撑计划课题“基于Mesh网络井下可视化无线救灾通讯技术与装备”(2013BAK06B03)，提出建立一套有效、可靠的井下无线应急救灾通讯系统，并完成了其中的环境参数监测子系统终端和终端软件的开发设计。
　　根据井下应急救灾通讯系统的网络需求，本文构建了井下应急救灾通讯系统无线Mesh网络。提出了系统结构设计框架。从主要特点和网络结构等方面描述了无线Mesh网络，通过比较无线Mesh网络与其他无线网络的性能特点，确定并选择无线Mesh网络作为井下无线应急救灾通讯无线网络。在此基础上，对无线Mesh网络的网络结构和网络设备也进行了测试和分析，选择了最合适的网络结构和网络设备。
　　根据井下无线应急救灾通信系统环境监测子系统设计的功能需求，开发了环境监测子系统终端，为了环境监测子系统的终端开发选择了嵌入式开发系统作为开发的系统，ARM处理器作为嵌入式硬件平台，Linux作为开发的操作系统。采用多线程的方式构建了终端平台，完成了终端环境参数采集和阈值报警功能。
　　根据控制中心环境参数监测软件开发需求，在VC++6.0平台上利用C++语言开发了“环境参数监控系统”软件和“环境参数监控终端图形化显示及报警系统”软件。对数据传输格式和通信协议进行了设计，完成了各个功能模块的开发，实现了在主控端对环境参数的监控及图形化显示，同时还可以阈值报警。
　　本文最后进行了系统性能的综合测试和性能分析。首先在大运河森林公园搭建测试环境，通过无线Mesh网络的性能测试测试结果验证了本文设计的无线Mesh网络具有高吞吐量、时延低和场强高的特点;接着在校园内搭建测试环境，通过环境参数监测子系统性能测试也验证了本文设计的环境监测子系统完成了对数据的采集并存储的功能，同时还可以图形化显示数据采集结果并且可以提供阈值预警功能。最终完成了井下环境参数监测系统的开发。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题来源

1．2 研究背景及意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文的主要内容

1．5 本文的组织结构

2 井下应急救灾通讯系统无线Mesh网络的构建

2．1 系统概述

2．1．1 系统业务模型

2．1．2 系统结构

2．2 井下无线Mesh网络的优越性

2．2．1 无线Mesh网络描述

2．2．2 无线Mesh网络与其他无线网络比较

2．3 井下无线Mesh网络系统的构建

2．3．1 系统设计目标

2．3．2 网络结构的选择与设计

2．3．3 网络设备的选择与设计

2．4 本章小结

3 井下无线应急救灾环境参数监测子系统终端的设计与实现

3．1 系统方案选择

3．1．1 设计目标

3．1．2 系统结构

3．2 软硬件平台的选择

3．2．1 系统的选择

3．2．2 开发平台的选择

3．3 终端系统开发

3．3．1 系统设计思路

3．3．2 系统设计过程

3．3．3 终端系统功能开发与实现

3．4 本章小结

4 环境参数监测子系统终端软件的设计与实现

4．1 设计目标

4．2 开发环境和开发语言

4．3 主控端监控软件各个模块的设计

4．2．1 主模块

4．2．2 串口通信模块

4．2．3 消息队列模块

4．4 主控制端参数监测终端软件功能的实现

4．4．1 环境参数监控系统

4．4．2 环境参数监控终端图形化显示及报警系统

4．5 本章小结

5 系统性能综合测试

5．1 无线Mesh网络的性能测试

5．1．1 测试环境

5．1．2 测试目标

5．1．3 测试设备及拓扑结构

5．1．4 测试结果及分析

5．2 环境监测子系统性能测试

5．2．1 测试环境

5．2．2 测试目标

5．2．3 测试设备及拓扑结构

5．2．4 功能测试结果及分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果