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1、摘 要我国的煤炭储量十分丰富，煤炭在我国能源体系中占有很重的地位。但是我国煤矿自然条件复杂，现有的煤矿环境监测系统不足以保证煤矿的安全生产。煤矿监测系统的落后在数据采集上表现在监测参数单一，在传输方式上表现在有线传输方式布网不灵活，网络维护开销大。在有线监控系统的基础上进一步融合基于无线传感器网络的多参数监测系统，构成煤矿安全监测无线与综合信息系统，将极大地提高煤矿环境监测与预警水平。正是在这种背景下，本文提出一种适合于煤矿环境监测的多参数监测无线传感器网络。本文首先对无线传感器网络的结构、分层模型和关键技术进行了介绍。并指出具有低功耗、通信可靠、网络的自组织、自愈能力强以及成本低廉等特点的Z
2、igBee技术非常适合应用于矿井环境监测的无线传感器网络。矿井下的环境监测网络的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。本论文的主要内容是对便携式传感器节点进行硬件设计，并实现节点间的通信。硬件设计主要介绍了传感器网络系统通常包括的传感器节点、汇聚节点以及其他一些外围电路的芯片的选型以及设计方法。在软件设计方面，介绍了Zigbee软件开发平台IAR和基于ZigBee2006协议栈库的ZigBee环境监测网络节点的软件设计。本文所构建的矿井下人员信息采集的ZigBee无线环境监测网络可自动组网，数据自动上传，监测点数量、位置可随时变化，实现了多节点、多参数的数据采集，弥补了现有监测手段设备复杂，在监
3、测区域需大量布线、需建设大量基础设施，监测点位置不易变化，对突发事件无能为力等不足，为环境监测提供了一种新的方法。关键词：煤矿； ZigBee；无线传感器网络；CC2430；人员信息；ABSTRACTThe reserves of coal are rich in our country and coal plays a very important role in the state resource system. But the natural conditions of coal mine in our country are complicated, whats more, the
4、existed coal mine environment monitoring systems are behindhand, which presents in two aspects. The first one is in flexible wired transportation network limiting monitoring scope and the other one is most of the system can only monitoring one parameter, Both of them result in many Production threat
5、s. Therefore, WSN(wireless sensor network)for coal mine environment multi parameter monitoring is proposed.The WSN is deeply discussed in the paper including the network structure, layer model and some key technologies. ZigBee is a typical WSN protocol that has a lot of unique such as low power cons
6、umption, reliable data communication, ad-hoc and low cost.There are two parts in the design: hardware design and software design. In the hardware design, different hardware modules are described in detail including the microprocessor, sensor and antenna. In the software design, monitoring software a
7、nd nodes firmware are discussed. The whole system can work reliably.Temporary installation is supported by This ZigBee monitoring Network. Multi-node, multi-Parameter data collection is achieved with automatic network setting up, and data transmission automatic. Its flexibility allows network nodes
8、to be adding, removing or changing in position easily. Because of the needs of complex equipment, a lot of cabling, and large infrastructure makes the existing measure of environmental monitoring inability for unexpected events, and difficult to move nodes Position. As a new approach for environment
9、al monitoring, this ZigBee network can offset these insufficiencies.Key Words: Coal mine; ZigBee; Wireless sensor network; CC2430; personnel information;目 录第1章 绪 论11.1课题来源11.2 研究背景及意义11.3 国内外研究现状21.4本文主要研究内容4第2章 矿井人员信息采集系统的总体设计方案62.1无线传感器网络简介62.3系统的总体设计13第3章 系统节点硬件设计173.1传感器网络节点硬件总体设计173.2射频模块CC2430
10、的分析与应用183.3主要传感器选择243.4电源模块的设计273.5天线模块的设计283.6声光振动报警电路293.7 RS-485串行接口电路303.8硬件抗干扰设计31第4章 系统的软件设计344.1软件总体设计344.2 Zigbee协议标准364.3系统的软件开发环境464.4 ZigBee网络终端节点的软件设计484.5 ZigBee网络汇聚节点的软件设计524.6 RS-485串口数据收发56第5章 总结与展望595.1本文工作总结595.2未来研究展望59参考文献61致 谢63附 录164附 录266外文资料67中文译文71第1章 绪 论1.1课题来源 我国的煤炭储量十分丰富，
11、煤炭在我国能源体系中占有很重的地位。近年来，随着对煤炭需求的高速增长，煤炭工业也得到很大发展，但是煤矿重大、特大事故时有发生，仍未实现对灾害事故的有效控制。矿井下环境是非常复杂的，矿井巷道内的风速、温度、湿度、煤尘、各类气体含量、矿井水对矿井下工作人员的健康乃至生命安全有着重要的影响。而且现有的井下环境监测系统，多采用有线技术进行网络组建。这类方案的特点是扩展性能差，布线繁琐，需要在矿井内设通信线路, 传递监测信息生产过程中矿井结构在不停变化, 加之有些坑道空间狭小, 对通信线路的延伸和维护提出了很高的要求。一旦通信链路发生故障, 整个监测系统就可能瘫痪，而且采用硬线连接，线路容易老化或遭到腐
12、蚀、磨损故障发生率较高，误报警率高。我国煤矿自然条件复杂，现有的煤矿环境监测系统不足以保证煤矿的安全生产。煤矿监测系统的落后在数据采集上表现在监测参数单一，在传输方式上表现在有线传输方式布网不灵活，网络维护开销大。在有线监控系统的基础上进一步融合基于无线传感器网络的多参数监测系统，构成煤矿安全监测无线与综合信息系统，将极大地提高煤矿环境监测与预警水平。正是在这种背景下，本文提出一种适合于煤矿环境监测的多参数监测无线传感器网络。1.2 研究背景及意义 在经济全球化的浪潮中，能源仍然是经济、社会进步的主要物质基础。我国是产煤大国，己探明储量为114.5G吨，煤炭作为我国的主要能源，占一次能源消耗构
13、成比例的75%。由于煤炭工业的基础地位，实现安全、高效地可持续发展是中国实现经济重大战略目标的可靠保证，对中国现在及其未来的国民经济发展起决定性作用，要确保煤炭产业健康有序的发展，矿井安全必须得到保障。一方面，由于煤炭开采属地下作业，生产环境恶劣，生产过程复杂，受到水、火、瓦斯、煤尘等多种自然灾害的威胁；另一方面，在煤炭资源特殊的生产环境中，矿井地下生产作业的人员集中、各种设备的交互使用的特点以及井下通信的多样性和随机性使井下作业和井上调度的通信困难程度进一步加大，致使煤矿生产问题较其他行业更重要、更复杂、更难解决。目前，我国煤矿安全技术与装备水平低，事故隐患多、矿井防灾和抗灾能力差，作为煤矿
14、安全生产最重要保障之一的煤矿监控系统，在向构造统一、优化、共享、基于光纤传输的煤矿综合调度信息系统方向的努力已取得了明显的成效，其中所涉及的理论问题与关键技术已基本得到解决。煤矿安全生产的另一重要保障就是全矿井无线信息系统，由于煤炭开采主要以井下为主，巷道可长达数十千米，矿井生产工序多，作业地点分散，人员流动性大且工作环境恶劣，事故隐患极大，矿井生产的这种特点对建立一个功能较为完善的集调度移动通信、机车的无线定位和导航、人员定位与追踪、无线可视多媒体监视、移动计算、矿井环境无线安全监测的全矿井无线信息系统有着迫切的要求，与有线矿井监测，监控系统不同。电磁波在矿井巷道中传播衰耗严重，无线通信距离
15、短，成为制约有效实现矿井巷道中无线通信的瓶颈，因此如何从根本上解决这一问题是有效建立全矿井无线信息系统的关键。 煤炭是我国最为重要的能源资源，煤炭生产的安全事关重大。我国煤矿安全生产面临着非常严峻的形势，而广泛应用信息技术是加强和改进煤矿安全生产工作的有效手段，推广煤矿行业信息技术应用己刻不容缓。同时煤矿信息化也给信息产业提供了新的发展机遇，是信息产业改造传统产业的极好结合点。本课题研究有利于煤矿监控系统网络的信息集成，煤矿企业的信息化，推动我国煤矿安全监测监控系统进步，进而为我国煤炭行业信息化奠定一定的基础。也要明确实施信息化是改变我国传统煤炭工业劳动效率低、技术装备落后、安全状况差的现状，
16、规范企业内部管理，建立健全先进的管理手段和制度，提高企业竞争能力，实现长远发展的必要手段和基本保证。原国家经贸委在用高新技术和先进适用技术改造提升传统产业的实施意见中指出，煤炭行业有三个重点，其中之一就是推广应用信息技术。因此本课题对煤炭企业信息化建设，以先进的管理思想为指导，以成本控制为核心，以信息技术为支撑，实现煤炭企业数字化的生产经营管理模式，实现企业经营运作的高效率和高效益的都有十分重要的意义。目前我国煤矿井下环境检测多为分散、独立的传感器，且是布线方式居多，不能同时实时地监测矿井多个工作区的实时环境参数，并需要人员携带各种探测器进入现场监测后，才能得到矿下的各种信息，使用起来极不方便。而且矿井下工作面是不断变化的，需要各类探测器也能
