矿山物联网节点的研究与开发

论文摘要

继计算机、互联网及移动通信网发展之后,物联网这一崭新的概念,自提出以来向各个应用领域得到迅速发展,现已被公认为又一次世界信息产业的大浪潮。煤炭作为我国重要的能源之一,在国民经济发展中有着至关重要的地位。然而,在我国煤矿企业管理过程中,安全问题尤为突出。那么,将物联网这一新技术应用到煤炭等矿山工业中,以实现工业自动化及安全问题检测等,既能够满足经济效益的提高,又能保证生产过程的安全问题。但是,目前对于物联网技术这一新领域,仍存在很多尚未解决的问题。而且,随着网络拓扑结构的不断扩大,整个网络的数据吞吐量也会不断降低,这样既影响了网络通信质量,义不能满足网络通信信息的实时性。以矿山物联网无线节点开发为目标,针对网络吞吐量及频谱资源短缺等问题,提出了解决方案：为物联网中部分节点装配一个CC2430与一个CC2431射频模块,这样双射频节点就可以同时工作在不同的正交信道上,既能够实现频谱资源的空间复用、降低干扰,又可以显著提高网络的性能。本文介绍了双射频节点系统的研究与实现,对节点的性能进行了分析,结果表明,采用多射频技术方案能够显著提高网络的吞吐量等性能。同时,本文移植了Windows CE操作系统,使物联网节点增加了图像显示等附加功能,更加完善。最后,针对矿山实际应用的特殊场景,物联网节点应具备定位功能,本文利用一个无线模块CC2431内嵌的定位引擎,并结合改进的RSSI算法,估算两节点间的距离,得到三组待定位节点到参考节点的距离之后,再根据三边测量定位算法,最终获得待定位节点的位置信息。基于双射频的矿山物联网节点的实现,既增加了网络的吞吐量,一定程度上又节省了节点的能量损耗,增加了网络的寿命,改善了原来的无线传感网络性能。因此,在矿山网络应用中,有更好的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 物联网发展现状
• 1.2 矿山物联网发展现状
• 1.3 研究背景
• 1.4 本文主要内容和组织结构
• 2 多射频技术研究
• 2.1 射频的概念
• 2.2 射频通信
• 2.3 无线模块的射频通信
• 2.4 多射频
• 2.5 主要程序
• 2.6 本章小结
• 3 物联网节点的研制
• 3.1 物联网节点的硬件设计
• 3.1.1 射频模块的设计
• 3.1.2 微控制器模块的设计
• 3.1.3 硬件接口的设计
• 3.2 基于Windows CE的软件设计
• 3.3 本章小结
• 4 网络通信软件模拟
• 4.1 软件的安装
• 4.1.1 Linux系统的安装
• 4.1.2 NS-2软件的安装
• 4.2 无线节点通信模拟
• 4.2.1 无线节点的创建
• 4.2.2 无线节点随机移动场景及数据流的创建
• 4.2.3 无线节点通信动画
• 4.3 无线节点通信数据信息分析
• 4.4 本章小结
• 5 物联网定位技术
• 5.1 概述
• 5.2 物联网定位技术
• 5.3 RSSI定位算法的改进
• 5.4 基于CC2431的无线定位
• 5.4.1 定位引擎特性
• 5.4.2 定位引擎操作
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果