ZigBee无线传感器网络在煤矿安全环境监测中的研究与实现

论文摘要

煤炭是国家经济建设不可或缺的资源,煤炭的安全生产也一直是关系国计民生的重要话题。煤矿井下安全检测系统的不完善,增加了煤矿开采的不安全度,容易引发重大事故,给安全生产造成极大的困难。瓦斯灾害是煤矿安全生产的主要威胁因素。目前煤矿中主要以有线监控系统为基础进行瓦斯的监测,此种监测方式存在着种种的局限性和不足,已经不能满足煤矿安全监控的需求,从而存在较大的安全隐患。为此,本文提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的矿井环境安全监测系统。以无线通讯技术为基础的监控系统将极大的提高煤矿瓦斯监测与预警水平。该系统主要包括协调器、汇聚节点、无线传感器节点共三种节点,功能各不相同。本文设计了无线传感器节点的硬件结构和软件系统,以支持这三种节点的功能。基于ZigBee无线传感器网络的矿井环境安全监测系统是一个自组织的网络,针对瓦斯监测工作的需求,本文设计了网络的拓扑控制机制、无线节点接入机制和路由机制。拓扑控制机制主要解决网络的建立、拓扑结构的生成等问题;无线节点接入机制主要解决网络中的数据冲突问题;路由机制主要解决瓦斯监测数据在网络中的传输问题。在煤矿瓦斯监测工作中,工作人员需要获得监测区域中各个监测点的瓦斯浓度数据,以便对整个区域的瓦斯分布进行分析和必要的预测。此外,一旦监测区域内的瓦斯浓度超标,要求监测网络能够及时报警。最后对本系统在长约50米的平直室内走廊对所设计的网络进行了多次测试,测试结果表明监测网络的无线通信效果良好,三种功能节点按照所设计的工作方式执行了模拟监测任务,基本满足了预期的设计要求,可以较好的满足煤矿瓦斯监测需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 我国煤矿安全监控系统现状及存在问题
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.3 课题研究背景、研究内容及创新点
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 本文的工作和组织结构
• 2 网络的关键技术
• 2.1 ZigBee 技术标准介绍
• 2.2 系统拓扑控制机制设计
• 2.2.1 网络节点的地址分配
• 2.2.2 网络的建立和节点的入网过程
• 2.2.3 网络的双结构设计
• 2.3 路由机制设计
• 2.3.1 骨干网路由机制
• 2.3.2 支路路由机制
• 2.4 位置判定
• 2.5 本章小结
• 3 网络硬件结构与节点设计
• 3.1 核心控制功能模块结构介绍
• 3.2 核心 ZigBee 模块-JN5139
• 3.3 外围电路的设计与实现
• 3.3.1 传感器模块电路
• 3.3.2 RS-232 接口电路
• 3.3.3 RS-485 接口电路
• 3.3.4 网络状态预警指示和 JN5139 复位电路
• 3.3.5 电源管理电路
• 3.3.6 备用电源切换电路
• 3.4 本章小结
• 4 ZigBee 无线传感器网络节点的软件设计
• 4.1 各部分软件结构
• 4.2 利用 JN5139 的 ZigBee 设计网络前端程序流程
• 4.3 网络管理程序设计
• 4.3.1 节点初始化程序设计
• 4.3.2 汇聚节点的组网流程
• 4.3.3 网络动态管理程序设计
• 4.3.4 传感器节点的协同数据采集
• 4.4 传感器数据采集传输程序设计
• 4.4.1 传感器节点数据采集程序
• 4.4.2 无线传感器节点数据发送
• 4.4.3 汇聚节点数据接收程序
• 4.4.4 汇聚节点的串口数据收发
• 4.4.5 汇聚节点控制命令的发送
• 4.5 传感器节点的低功耗设计
• 4.6 计算机端程序开发
• 4.7 本章小结
• 5 试验及结果
• 5.1 传感器节点数据采集试验
• 5.2 基于 IEEE 802.15.4 组网通讯实验
• 5.3 移动传感器节点定位试验
• 5.4 本章总结
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文
• 附录 A
• 附录 B