基于ZigBee的井下人员跟踪定位系统设计与实现

论文摘要

煤矿井下环境复杂,存在多种安全隐患。近年来我国煤矿事故频繁发生,造成重大人员伤亡和经济损失,现有的煤矿安全监控系统已经无法满足安全生产需要。无线传感器网络是集无线通讯、数据采集和信息处理功能于一体的新型分布式自组织数据采集网络,ZigBee技术是一种新兴的最具代表性的无线传感网络,具有统一技术标准和低成本、低功耗等特点。将ZigBee技术应用于煤矿安全监测,将有效地提高煤矿安全生产监控和管理水平。本文深入研究了ZigBee网络技术和IEEE 802.15.4协议,分析了ZigBee技术的特点并与其它无线通讯技术进行了全面比较,得出了ZigBee应用于井下人员定位系统的可行性与优势。在此基础上,结合国内外跟踪定位系统的发展状况及定位技术的最新研究成果,设计了以RSSI定位技术为基础的井下人员跟踪定位系统总体方案。系统采用ZigBee无线网络与光纤以太网相结合的方式构建数据通讯平台,将井下多个工作面的人员定位数据等信息传输到井上控制室的数据处理服务器。本文介绍了系统的功能设备划分,并详细介绍了硬件设备的电路设计,包括基于CC2430的ZigBee模块、定位分站、基准定位器、移动定位终端及光纤传输接口的电路设计。ZigBee网络应用开发基于TI的ZigBee协议栈Z-Stack,本文介绍了基于Z-Stack的功能设备软件设计。针对井下设备的防爆要求,本文系统介绍了本质安全型防爆技术,提出了系统设备本质安全设计方法。最后,本文介绍了ZigBee模块及网络测试方法。基于ZigBee的井下人员跟踪定位系统必将在矿井安全生产管理中起到重要的作用,具有重要的实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题的意义
• 1.3 课题的研究内容
• 1.4 论文的结构安排
• 2 ZigBee技术
• 2.1 ZigBee技术
• 2.1.1 ZigBee技术起源
• 2.1.2 ZigBee联盟
• 2.1.3 ZigBee技术特点
• 2.1.4 ZigBee技术的应用
• 2.2 ZigBee技术与其他无线通讯技术的比较
• 3 矿井人员跟踪定位系统的发展概况
• 3.1 国内外发展状况
• 3.2 定位技术
• 3.3 基于ZigBee技术的矿井人员定位系统
• 3.3.1 系统组成
• 3.3.2 ZigBee网络定位系统
• 3.3.3 光纤以太网高速数据传输系统
• 3.3.4 系统工作过程
• 4 系统硬件设计
• 4.1 ZigBee无线模块
• 4.1.1 ZigBee方案的选择
• 4.1.2 CC2430无线模块
• 4.1.3 CC2430功率增强模块
• 4.2 定位分站硬件设计
• 4.2.1 ARM最小系统电路设计
• 4.2.2 SD存储卡电路设计
• 4.2.3 以太网接口模块电路设计
• 4.3 基准定位器硬件设计
• 4.4 移动定位终端硬件设计
• 4.4.1 移动定位终端的要求分析
• 4.4.2 ZigBee无线模块外围电路设计
• 4.4.3 移动定位终端功耗估计及电池容量选择
• 4.5 光纤以太网转换器的硬件设计
• 5 本质安全型防爆设计
• 5.1 防爆的基本概念
• 5.1.1 可燃气体、蒸汽的爆炸特性
• 5.1.2 危险场所的区域划分
• 5.1.3 防爆电气设备的分类和温度组别
• 5.1.4 电气设备的防爆型式
• 5.2 本质安全型防爆技术
• 5.2.1 本质安全防爆的基本原理和特点
• 5.2.2 本安电气设备的安全等级
• 5.2.3 本质安全设备及关联设备
• 5.2.4 保护性元件和组件、安全栅
• 5.2.5 本安防爆系统组成及防爆认证
• 5.2.6 本质安全型电气设备的类型和应用
• 5.3 电路放电火花
• 5.3.1 电路放电火花形式
• 5.3.2 本质安全电路设计参考曲线
• 5.4 系统设备本质安全性能评估
• 5.5 本安型不间断电源方案设计
• 6 系统软件设计
• 6.1 ARM软件开发平台构建
• 6.1.1 Bootloder移植
• 6.1.2 Linux 2.6内核及SD卡驱动移植
• 6.1.3 嵌入式Linux根文件系统制作
• 6.2 ZigBee应用软件设计
• 6.2.1 Z-Stack介绍
• 6.2.2 Z-Stack参数设置
• 6.2.3 跟踪定位系统软件设计
• 7 系统硬件测试及网络测试
• 7.1 CC2430无线通讯模块测试
• 7.2 ZigBee网络通讯测试
• 7.3 测试实验总结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 本质安全参量临界曲线
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢