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基于ZigBee技术的煤矿井下定位系统的研究

作　者: 张灿明
导　师: 周孟然
学　校: 安徽理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 无线传感器网络 ZigBee 井下人员定位
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 245次
引　用: 1次
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内容摘要

煤炭是我国主要能源之一,煤炭行业进行高效生产的首要任务是保证工作人员的人身安全。由于煤矿特殊的工作环境导致矿井事故时有发生,因此对井下作业人员进行实时跟踪定位,了解井下作业人员的分布情况的重要性显得非常重要。同时对安全事故的救援工作提供了宝贵的地域位置信息,因此研究井下作业人员的定位系统具有非常重要的实际意义。本文先对目前矿井中存在的有线和无线监控系统进行了简单的介绍,将新兴的Zigbee技术与其它监控技术在成本、通信距离、数据传输速率等几个方面进行对比。结果表明Zigbee定位网络系统在煤矿井下中的应用效果最佳。本文系统中节点核心芯片采用的是Chipcon公司生产的CC2430/CC2431,采用IEEE802.15.4通信协议,对基于Zigbee技术的煤矿井下定位系统进行研究。对基于距离和与距离无关的两种类型的定位算法进行介绍,通过算法的比较分析,决定在本文中采用与距离有关的基于接收信号强度指示RSSI算法。紧接着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、SmartRF04Flash Programmer物理地址修改软件和Packet Sniffer数据分析仪的功能。实验室内进行调试的小型系统上位机界面进行编写。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、节点布设随意性及环境适应能力强等诸多特点,能够满足矿井对监控系统的应用需求。仿真结果表明,本文针对煤矿井下特殊的工作环境设计ZigBee定位监控系统,可以对佩戴定位节点的井下作业人员实现实时跟踪定位,很大程度上保障了井下工作人员的人身安全以及提供了更便捷人员管理信息,具有较好的实用性和推广价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-14
1 绪论  14-22
  1.1 论文研究背景  14-15
  1.2 国内外发展现状及研究意义  15-18
    1.2.1 矿井定位系统技术现状  15-17
    1.2.2 ZigBee技术在矿井中研究意义  17-18
  1.3 本文主要研究内容  18-19
  1.4 本文章节安排  19-22
2 基于IEEE802.15.4标准的ZigBee技术  22-34
  2.1 IEEE802.1 5.4网络简介  22-23
  2.2 Zigbee网络的拓扑结构和路由  23-25
  2.3 ZIGBEE协议栈  25-34
    2.3.1 物理层(PHY)  26-28
    2.3.2 MAC子层  28-30
    2.3.3 网络层(NWK)  30-31
    2.3.4 应用层(APL)  31-34
3 无线传感器网络节点定位技术研究  34-46
  3.1 定位技术简介  35-39
    3.1.1 定位技术的基本算法介绍  35-38
    3.1.2 定位算法分类  38-39
  3.2 基于距离的定位算法  39-42
    3.2.1 基于TOA定位机制  40
    3.2.2 基于TDOA定位机制  40-41
    3.2.3 基于AOA定位机制  41
    3.2.4 基于RSSI定位机制  41-42
  3.3 距离无关的定位算法  42-46
    3.3.1 质心算法  43
    3.3.2 DV-Hop算法  43-44
    3.3.3 Amorphous算法  44
    3.3.4 APIT算法  44-46
4 矿井Zigbee网络构建  46-56
  4.1 系统总体结构  46-47
    4.1.1 Zigbee子网  47
    4.1.2 数据传输的骨干网络通道  47
  4.2 网络硬件的实现  47-51
    4.2.1 网络对硬件的要求  47-48
    4.2.2 芯片的选型  48-49
    4.2.3 节点设计电路  49-50
    4.2.4 节点天线  50-51
  4.3 Zigbee网络的建立  51-52
  4.4 定位算法的实现  52-53
  4.5 小结  53-56
5 系统节点软件设计  56-66
  5.1 开发环境  56-61
    5.1.1 软件开发环境  56-57
    5.1.2 综合测试SPP软件  57-58
    5.1.3 物理地址修改软件  58-59
    5.1.4 Zi gbee数据分析仪软件  59-60
    5.1.5 Z-Location GUI定位监视软件  60-61
  5.2 节点设计  61-66
    5.2.1 Zigbee协调器设计  61-62
    5.2.2 参考节点设计  62-64
    5.2.3 定位节点设计  64-66
6 Zigbee定位系统仿真研究及其实现  66-72
7 总结与展望  72-74
  7.1 工作总结  72
  7.2 论文的不足之处  72-73
  7.3 展望  73-74
参考文献  74-78
致谢  78-80
作者简介及读研期间主要科研成果  80

基于ZigBee技术的煤矿井下定位系统的研究

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