基于ZigBee技术的矿井安全生产监测网络的研究

摘要

矿井安全生产问题始终是制约现代采掘业快速健康发展的首要瓶颈。传统的矿井安全生产监控系统主要构建于电缆通信设施的基础之上，信息交换过程没有脱离人工参与，这样不但通信链路容易受现场环境影响，而且主观因素较多，无法为矿井安全生产管理提供客观、及时和准确的依据。工业级无线网络技术的不断进步为解决传统矿井安全监测系统的弊病提供了新的契机。新一代无线网络技术ZigBee以其低功耗、低单位成本、组网自适应、网络容量大等特点，广泛应用于低数据传输速率的工业场合。 这里提出一种基于ZigBee无线网络平台的矿井安全生产监测网络的设计，用于实现工况传感，人员定位以及安全告警等功能，包括矿井组网模型分析、无线传感网络设备开发和监控中心管理软件设计三大部分内容。其中矿井组网模型分析部分包括井下无线网络拓扑、井下自适应组网模式和抗干扰策略的分析，无线传感网络设备开发部分包括无线路由器、协调器和应用网关的设计，监控中心管理软件部分包括前端实时监控界面、任务控制逻辑和后端数据库的开发。最后给出了本设计的实验室样机网络系统。关于矿井无线网络理论上存在的一些特殊问题也在文中进行了探讨并提出了初步的解决方案。

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论文说明：术语表

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致谢

1绪论

1.1矿井安全管理综述

1.2 ZigBee技术发展简介

1.3选题意义与主要工作

2井下无线传感网络

2.1井下无线网络平台

2.1.1 IEEE802.15.4协议介绍

2.1.2 ZigBee协议介绍

2.2井下无线网络拓扑

2.3井下无线组网模式

2.3.1固定网络结点功能

2.3.2移动网络结点功能

2.3.3无线自组网方案

2.4井下无线抗干扰策略

2.4.1空闲信道评估

2.4.2动态信道选择

3网络结点硬件设计

3.1本质安全型电路

3.2固定式网络结点

3.2.1射频收发模块

3.2.2温度传感模块

3.2.3湿度传感模块

3.2.4瓦斯传感模块

3.2.5电源管理模块

3.3移动式网络结点

3.3.1射频收发模块

3.3.2信息显示模块

3.3.3电源管理模块

3.4协调器网关接口设计

4网络结点固件设计

4.1配置ZigBee协议栈

4.2传感信息采集

4.2.1电池电压采集方案

4.2.2芯片温度采集方案

4.2.3环境温度采集方案

4.2.4环境湿度采集方案

4.2.5瓦斯浓度采集方案

4.3状态显示逻辑

4.3.1路由器显示逻辑

4.3.2协调器显示逻辑

4.4协调器应用网关

4.5网络结点任务流程

4.5.1路由器任务流程

4.5.2协调器任务流程

4.6井下特殊问题对策

4.6.1节能措施与网络故障处理

4.6.2网络扩容附带问题处理

5监控中心软件设计

5.1任务控制器

5.2人机交互层

5.2.1命令控制区

5.2.2结点视图区

5.2.3报表视图区

5.2.4工作日志区

5.3业务逻辑层

5.3.1结点数据结构

5.3.2联机数据过滤

5.3.3联机命令处理

5.3.4数据查询分析

5.3.5移动结点定位

5.3.6交互结果准备

5.4数据持久层

5.5联机通信层

5.5.1联机通信接收过程

5.5.2联机数据合并过程

5.5.3联机数据解包过程

5.6监控软件性能优化

5.6.1系统架构优化措施

5.6.2模块设计优化措施

6结束语

参考文献

附录A

附录B

作者简历