ZigBee无线传感器网络在瓦斯监测系统中的应用研究

论文摘要

近年来,我国煤矿安全事故频频发生,造成了惨重的人员伤亡和巨大的经济损失,给我国煤炭行业的发展敲响了警钟。长期以来,我国煤炭行业走着一条粗犷式的发展道路,安全信息技术的网络化程度不高,井下安全生产情况不能及时传送到地面生产监控中心,这些都是事故频发的症结所在。因此,建立一套完整高效的煤矿安全监测系统迫在眉睫。无线传感器网络是由监测区域内布置的大量无线传感器节点,通过无线通信方式形成的多跳的自组织网络。在环境监测方面,无线传感器网络技术具有显著的优势。目前,该项技术还处于研究和探索阶段。因此,对无线传感器网络技术的研究,特别是对其工程应用方面的研究具有重大的意义。在煤矿安全问题中,瓦斯气体浓度是煤矿安全监测的重要指标之一。论文首先提出了全新的基于ZigBee的煤矿矿井瓦斯浓度监测系统设计思想,并在此基础上提出了基于控制器PICLF184620和无线通信芯片CC2420的硬件模型和软件模型,对系统进行了测试和实验结果分析,最后对整篇文章的工作做了总结并对无线传感器网络在更广阔领域的应用进行了展望。所有这些在国内煤矿瓦斯监测系统设计领域内都属于具有明显特色的设计,对于我国的煤矿瓦斯监测会有较大的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.3 论文的研究意义和内容
• 1.4 创新点
• 2 ZigBee 无线传感器网络
• 2.1 无线传感器网络结构
• 2.2 无线传感器节点结构
• 2.3 ZigBee 技术简介
• 2.4 ZigBee 协议架构
• 2.4.1 IEEE802.15.4PHY 层
• 2.4.2 IEEE802.15.4MAC 层
• 2.4.3 网络层（NWK 层）
• 2.4.4 应用层（APL 层）
• 2.5 ZigBee 网络配置
• 2.5.1 设备功能类型
• 2.5.2 节点类型
• 2.5.3 ZigBee 网络拓扑结构
• 2.6 数据传输机制
• 3 瓦斯监测系统的总体设计
• 3.1 煤矿瓦斯监测系统体系结构
• 3.2 基于 ZigBee 应用系统的原理框图设计
• 3.3 传感器节点的硬件设计方案
• 3.4 监测系统传感器节点的硬件设计
• 3.4.1 主控模块
• 3.4.2 主控模块的主要外围电路设计
• 3.4.2.1 晶振电路
• 3.4.2.2 串口电路
• 3.4.2.3 复位及人机接口电路
• 3.4.2.4 报警电路
• 3.4.2.5 LED 显示电路及接口电路
• 3.4.3 射频模块
• 3.4.4 主控模块与射频模块的连接
• 3.4.5 电源模块
• 3.4.6 传感器模块
• 3.5 系统关键技术分析
• 3.5.1 路由协议
• 3.5.1.1 无线传感器网络的路由协议特点
• 3.5.1.2 无线传感器网络常用路由协议
• 3.5.2 网络能量及安全管理
• 4 监测系统的软件设计
• 4.1 开发环境
• 4.2 总体程序设计
• 4.2.1 传感器节点数据采集程序
• 4.2.2 全功能设备节点的软件设计
• 4.2.3 精简功能设备节点的软件设计
• 4.3 子程序设计
• 4.3.1 初始化子程序
• 4.3.2 A/D 转换子程序
• 4.3.3 数据处理子程序
• 4.3.4 LED 显示子程序
• 4.3.5 无线收发子程序
• 4.4 监控计算机软件系统
• 4.4.1 监控计算机的功能设计
• 4.4.2 计算机软件的总体结构
• 4.4.3 监控计算机界面设计
• 5 系统组网和网络的工作方式设计
• 5.1 ZigBee 组网过程
• 5.1.1 网络新建
• 5.1.2 设备加入网络
• 5.1.2.1 子设备主动加入网络
• 5.1.2.2 父设备主动将子设备加入网络
• 5.1.2.3 子设备网络地址分配机制
• 5.1.3 设备退出网络
• 5.2 网络的工作方式设计
• 5.2.1 周期巡检工作方式设计
• 5.2.1.1 网络节点工作周期的设计
• 5.2.1.2 网络节点同步工作的设计
• 5.2.1.3 网络节点编号的设计
• 5.2.2 中断唤醒工作方式设计
• 6 系统功能的测试
• 6.1 瓦斯浓度采集模块测试
• 6.2 组网通讯实验
• 6.2.1 实验环境
• 6.2.2 实验结果
• 7 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间已发表的学术论文