无线传感器网络在煤矿安全监控中的应用研究

论文摘要

中国能源需求的67%来源于煤炭,煤炭的正常供应在2008年抗冰救灾中发挥了举足轻重的作用,为国民经济的正常发展提供了可靠保障。近年来由于煤矿开采造成的各种煤矿事故仍然居高不下,给国家和人民生命财产造成巨大损失。为了满足国民经济高速发展的需要,在大力发展煤炭开采的同时,煤矿安全正成为全国工业安全生产工作的重中之重。研发预防煤矿安全事故的安全监控系统已是当务之急。本课题以改变当前国内落后的煤矿安全监控技术现状,解决煤矿安全监控中遇到的困难和难题为目标,利用无线传感器网络在煤矿安全监控中的优势,突破传统的监控方法和思路,以高科技、新技术、低成本提高科学监控水平,为煤矿安全监控提供可靠科学的监控数据。通过分析和比较,论文课题选用JN5121作为硬件平台,完成面向煤矿安全监控的多功能便携式无线传感器节点设计和基站传感器节点设计,主要包含电源管理、信号采集、无线通信、LED显示等模块。人员定位算法设计是煤矿安全监控系统设计的核心环节,在三边测距定位的基础上,根据煤矿井下人员定位的特殊性,论文提出了简单适合工程应用的四边测距质心加权定位算法,仿真结果表明采用质心加权的方法提高了定位精度,并在办公室环境下对算法进行了测试,测试结果进一步证明了算法根据距离加权的正确性,达到人员定位的精度要求。最后完成了系统的实现,主要包括数据采集软件设计和低功耗设计分析,分析表明,让终端设备适当的进入休眠模式大大的降低了系统的功耗,使用一对普通的电池可以使其工作近一个月时间。最后对系统进行了数据传输测试和煤矿井下通信距离测试,测试结果表明,本系统可以在煤矿井下长距离通信并实现对矿井环境参数的采集和传输,达到煤矿安全生产监控的全面要求。本设计将无线传感器网络技术应用于煤矿安全监控系统中,实现了煤矿井下环境参数的采集和传输,人员位置的监控,达到了煤矿安全生产监控目标,彻底解决了传统RFID监控技术通信距离受限瓶颈、人员难以精确定位等一系列技术难题,具有一定的创新性和实用性,将带来巨大的社会效益和经济效益,对开拓无线传感器网络应用新领域以及研究煤矿安全生产监控系统新方案具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 WSN发展概况
• 1.3 论文研究背景及意义
• 1.4 本文的主要工作与组织结构
• 第二章 WSN与煤矿安全监控
• 2.1 WSN概述
• 2.1.1 WSN概念
• 2.1.2 WSN的分类
• 2.1.3 WSN特点
• 2.2 WSN协议
• 2.2.1 ZigBee技术
• 2.2.2 ZigBee技术参数
• 2.2.3 IEEE802.15.4/ZigBee标准
• 2.2.4 IEEE802.15.4/ZigBee无线网络拓扑
• 2.3 WSN系统设计
• 2.3.1 WSN系统设计性能指标
• 2.3.2 无线传感器节点设计指标
• 2.4 煤矿安全监控
• 2.4.1 煤矿安全监控现状
• 2.4.2 传统RFID监控方案
• 2.4.3 基于WSN监控新方案
• 2.4.4 新方案的技术优越性
• 2.5 本章小结
• 第三章 系统节点硬件设计
• 3.1 节点硬件设计功能需求
• 3.2 传感器节点硬件总体设计
• 3.3 射频芯片的选择
• 3.4 主要传感器选择
• 3.4.1 瓦斯传感器选择
• 3.4.2 温湿度传感器选择
• 3.5 节点各模块硬件电路设计
• 3.5.1 瓦斯传感器信号采集及自动校准电路
• 2C接口'>3.5.2 温湿度传感器I²C接口
• 3.5.3 系统电源
• 3.5.4 声光振动报警电路
• 3.5.5 LED显示电路
• 3.5.6 AC-DC与电源切换电路
• 3.5.7 RS485工业总线接口
• 3.6 PCB图设计
• 3.7 硬件实物图
• 3.8 本章小结
• 第四章 人员定位算法设计
• 4.1 系统人员定位功能需求
• 4.2 定位基本原理与基本算法
• 4.2.1 距离（或角度）测量
• 4.2.2 节点位置计算方法
• 4.3 矿井人员定位方案选择
• 4.4 矿井人员定位算法设计
• 4.4.1 三边测距算法的局限性
• 4.4.2 四边测距定位技术的提出
• 4.4.3 四边测距质心加权定位算法过程
• 4.4.4 算法仿真与分析
• 4.4.5 定位算法测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 系统实现与测试
• 5.1 系统设计功能需求
• 5.2 系统总体设计
• 5.2.1 系统设计概述
• 5.2.2 系统功能模块
• 5.3 系统软件设计
• 5.3.1 软件设计平台与初始化
• 5.3.2 节点功能及软件处理流程
• 5.3.3 数据采集与发送
• 5.3.4 数据显示与报警
• 5.3.5 通信接口数据结构设计
• 5.4 系统低功耗设计
• 5.5 系统测试
• 5.5.1 ZigBee煤矿井下通信距离测试
• 5.5.2 网络数据传输测试
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果