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基于XBee-PRO的矿井安全监测系统的研究

2020-12-12阅读(299)

基于XBee-PRO的矿井安全监测系统的研究

论文摘要

安全,是一个关系国计民生的重要课题,党和国家一贯高度重视企业安全生产,安全生产是社会文明和进步的重要标志,是国民经济稳定运行的重要保障。然而,作为我国主要能源的煤炭的开采95%是地下作业,其作业环境极其复杂,煤矿安全生产的形式非常严峻,因煤矿事故造成的损失也极其惨重。然而引发煤矿事故的众多因素中,瓦斯超标是影响煤矿安全生产的最主要因素,其安全隐患严重威胁着矿井作业工人的人生安全。因此,有效地预防与控制瓦斯事故是改善我国煤矿安全状况的重要举措。目前,大多数矿井安全监测系统主要都是采用有线的方式进行数据传输,这种方式存在以下缺点:这种方式布线比较繁琐,对于线路的依赖性比较强,安装和维护设备的成本比较高,一旦发生矿难,设备和缆线往往会受到损害不能为矿难发生后的搜求工作提供有效信息;二是采用有线方式进行井下监测,随着煤炭生产的挖掘和矿井结构的变化,坑道空间变得越来越狭窄,有线通信线路的延伸和维护会更加困难,容易形成井下监测覆盖面较小,存在着较多的监控死角;三是只注重了瓦斯浓度、温湿度、气压等自然灾害因素当前值的监测而忽略了其相关的变化情况,存在较大的监测漏洞。为此必须在传统的煤矿监测手段基础上,利用更加先进、更有优势的技术来构建煤矿监测系统。为此,本文建立了基于无线XBee-PRO与ZigBee技术的煤矿安全监测系统。本文主要介绍了对煤矿井下瓦斯气体浓度和温/湿度进行监测的全新的无线通信网络的系统、网络节点的硬件和软件设计及实现。硬件设计主要包括便携式移动终端节点设计、路由器设计和协调器设计。便携式移动终端节点包括了瓦斯传感器电路设计,温/湿度传感器电路设计,报警电路设计,电源电路设计;路由器的电路设计与终端节点设计基本相同,因此需要保留瓦斯传感器模块和无线传感器模块等核心电路;协调器的电路设计主要包括RS232工业总线电路设计以及外部接口设计。软件设计包括瓦斯气体浓度和温/湿度的采集以及节点间的通信等。此外,本文实现了基于IEEE802.15.4/ZigBee标准的无线通信网络的组网,同时对所构成的无线网络讲行了实验及数据分析。本设计实现了煤矿井下瓦斯气体浓度和温/湿度等环境信息的采集和传输,完成了XBee-PRO与ZigBee技术无线通信网络在矿井安全生产中的应用的开发设计,达到了矿井环境监测的需求,具有创新性和实用性,对无线通信网络在工业生产中的进一步应用具有重要意义。

论文目录

  • 中文摘要
  • 英文摘要
  • 1 绪论
  • 1.1 论文研究背景及研究意义
  • 1.2 研究方法和技术路线
  • 1.3 国内外研究现状
  • 1.4 本文的主要工作
  • 2 无线通信技术及其井下的应用可行性分析
  • 2.1 ZigBee 技术简介
  • 2.2 ZigBee 协议体系结构
  • 2.2.1 物理层
  • 2.2.2 MAC 层
  • 2.2.3 网络层
  • 2.2.4 应用层
  • 2.3 ZigBee 技术的网络拓扑结构
  • 2.4 XBee-PRO 与ZigBee
  • 2.5 XBee-PRO 在井下应用的可行性分析
  • 2.5.1 短距离无线通信技术的比较
  • 2.5.2 现有的井下通信机制
  • 2.5.3 XBee-PRO 在井下应用的可行性
  • 3 矿井安全监测系统总体方案设计
  • 3.1 矿井安全监测系统需求分析
  • 3.1.1 矿井监测环境
  • 3.1.2 系统功能需求
  • 3.1.3 系统的监测参数
  • 3.1.4 井下无线电波传播特性
  • 3.2 XBee-PRO 的矿井安全监测系统总体设计
  • 3.2.1 系统结构
  • 3.2.2 井下节点布置
  • 3.2.3 矿井安全监测系统工作原理
  • 3.2.4 井下智能终端的功能
  • 4 XBee-PRO 的矿井监测系统的硬件设计
  • 4.1 井下节点设计
  • 4.2 井下节点的模块选择
  • 4.2.1 处理器模块
  • 4.2.2 传感器检测模块
  • 4.2.3 无线通信模块
  • 4.3 井下节点的电路设计
  • 4.3.1 处理器外围电路
  • 4.3.2 电源管理模块电路
  • 4.3.3 传感器接口电路
  • 4.3.4 报警电路
  • 4.3.5 无线通信模块电路
  • 5 井下监测系统的程序设计
  • 5.1 编程环境
  • 5.2 MSP430F149 内部初始化
  • 5.3 XBee-PRO 模块内部初始化
  • 5.4 协议栈中初始化函数
  • 5.5 节点的通信程序设计
  • 5.5.1 终端节点的程序设计
  • 5.5.2 路由器程序设计
  • 5.5.3 协调器的软件设计
  • 5.6 XBee-PRO 网络节点收发程序
  • 5.6.1 节点发送程序流程
  • 5.6.2 接收程序流程
  • 6 实验测试与分析
  • 6.1 XBee-PRO 无线网络
  • 6.2 网络节点参数配置
  • 6.3 XBee-PRO 网络组网与实验
  • 6.3.1 网络节点的放置
  • 6.3.2 网络节点入网流程
  • 6.3.3 检测的环境信息
  • 6.3.4 监控中心控制网络节点
  • 6.4 实验分析
  • 7 总结与展望
  • 7.1 总结
  • 7.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录
  • A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

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