基于ZigBee无线传感器网络的矿井机车定位系统的研究

论文摘要

在我国煤炭行业日趋国有化的背景下,煤矿安全生产和管理关系到国民经济的稳定可持续发展。矿井机车识别和定位系统的构建对煤矿生产管理步入现代化和智能化具有重大的实际意义。基于煤矿井下机车监控一直是煤矿生产管理的薄弱环节,本文在分析国内外矿井机车监控技术的基础上,针对传统矿井机车运输监控系统无法完成的任务,构建了一种基于ZigBee无线传感器网络节点定位的矿井机车监控系统。论文首先研究和分析了基于IEEE802.15.4无线通信协议的ZigBee技术,并将它和蓝牙、红外、Wi-Fi、UWB、NFC等短距离无线数据网络技术进行比较,同时介绍了ZigBee网络的拓扑结构、协议栈原理以及路由协议。根据矿井机车定位系统的需要,介绍了目前传感器网络中的定位技术,包括基于距离的TOA、TDOA、AOA、RSSI定位技术和距离无关的质心、DV-Hop、APIT定位算法。并采用TI公司的CC2430/CC2431芯片设计了无线传感网络的协调器、参考节点和定位节点,包括硬件设计和软件设计。最后介绍了无线传感器网络仿真环境IAR的建立和配套的C51RF-CC2431-ZDK仿真器、综合测试SPP软件、SmartRF04 Flash Programmer物理地址修改软件和Packet Sniffer数据分析仪的功能及使用步骤。采用Z-Location GUI定位图形监视软件对基于ZigBee的井下无线传感器网络的性能进行验证。基于ZigBee无线传感器网络的自组织性、节点随机布设和适应环境的特点能很好的满足矿井监控系统的应用需求。仿真结果表明,本文设计的这种基于ZigBee无线传感器网络节点定位的矿井机车监控系统,可以实现对井下机车的跟踪定位,更加便于矿井机车的生产管理,具有较高的实用性和推广价值。图[54]表[15]参[46]

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Contents
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 国内外研究现状及意义
• 1.2.1 矿井机车监控系统的技术现状及面临的挑战
• 1.2.2 煤矿井下无线传感器网络的提出及意义
• 1.3 本文所做工作
• 1.3.1 论文研究内容
• 1.3.2 结构安排
• 2 基于IEEE802.15.4标准的ZigBee无线网络技术
• 2.1 ZigBee技术概述
• 2.1.1 ZigBee技术特点
• 2.1.2 ZigBee技术在矿山安全领域的应用
• 2.2 ZigBee网络的拓扑结构
• 2.3 ZigBee协议栈
• 2.3.1 物理层（PHY）
• 2.3.2 媒质访问控制子层（MAC）
• 2.3.3 络层（NWK）
• 2.3.4 应用层（APL）
• 2.4 无线传感器网络路由协议研究
• 3 无线传感器网络节点定位技术研究
• 3.1 定位技术简介
• 3.2 基于距离的定位算法
• 3.2.1 基于TOA的定位
• 3.2.2 基于TDOA的定位
• 3.2.3 基于AOA的定位
• 3.2.4 基于RSSI的定位
• 3.3 距离无关的定位算法
• 3.3.1 质心算法
• 3.3.2 DV-Hop算法
• 3.3.3 APIT算法
• 4 基于ZigBee网络的矿井机车定位系统的硬件设计
• 4.1 井下无线定位网络原理与方案设计
• 4.2 CC2430/CC2431无线单片机
• 4.2.1 CC2430芯片特点
• 4.2.2 CC2430的主要特征外设
• 4.2.3 CC2430无线收发模块
• 4.2.4 CC2431定位引擎介绍
• 4.2.5 C51RF-3-ZDS仿真器
• 4.3 辅助电路模块
• 4.3.1 天线
• 4.3.2 串口电路设计
• 4.3.3 电源电路
• 4.3.4 小键盘
• 4.4 小结
• 5 基于ZigBee无线定位系统的传感器节点软件设计
• 5.1 节点串ID分析
• 5.2 ZigBee协调器设计
• 5.3 参考节点设计
• 5.4 定位节点设计
• 6 矿井机车定位系统的仿真研究及实现
• 6.1 ZigBee软件集成开发平台
• 6.1.1 软件开发环境IAR
• 6.1.2 综合测试SPP软件
• 6.1.3 物理地址修改软件
• 6.1.4 ZigBee数据分析仪软件
• 6.1.5 Z-Location GUI定位监视软件
• 6.2 实验结果
• 7 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果