矿井下的人员信息采集系统设计.doc

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局限性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。本文一方面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ZigBee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涉及硬件设计和软件设计两个方面。本论文的重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。硬件设计重要介绍了传感器网络系统通常涉及的传感器节点、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ZigBee2023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，填补了现有监测手段设备复杂，在监测区域需大量布线、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局限性，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 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 threats. 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 consumption, 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 and 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 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 environmental 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本文重要研究内容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的分析与应用183.3重要传感器选择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，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。并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断变化, 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规定。一旦通信链路发生故障, 整个监测系统就也许瘫痪，并且采用硬线连接，线路容易老化或遭到腐蚀、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局限性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、社会进步的重要物质基础。我国是产煤大国，己探明储量为114.5G吨，煤炭作为我国的重要能源，占一次能源消耗构成比例的75%。由于煤炭工业的基础地位，实现安全、高效地可连续发展是中国实现经济重大战略目的的可靠保证，对中国现在及其未来的国民经济发展起决定性作用，要保证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限度进一步加大，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，由于煤炭开采重要以井下为主，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规定，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，因此如何从主线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善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。本课题研究有助于煤矿监控系统网络的信息集成，煤矿公司的信息化，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。也要明的确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，规范公司内部管理，建立健全先进的管理手段和制度，提高公司竞争能力，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合用技术改造提高传统产业的实行意见中指出，煤炭行业有三个重点，其中之一就是推广应用信息技术。因此本课题对煤炭公司信息化建设，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，实现煤炭公司数字化的生产经营管理模式，实现公司经营运作的高效率和高效益的都有十分重要的意义。1.3 国内外研究现状 .com 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，才干得到矿下的各种信息，使用起来极不方便。并且矿井下工作面是不断变化的，需要各类探测器也可以随作业面的移动而移动，假如检测系统使用有线传感器网络，需要不断的调整传感器的位置，需要繁琐的拆卸、安装、调试、校准，并且由于采煤工作面的特殊性，信号线极易损坏，使用很不方便。鉴于以上情况，构建具有自组织、自修复能力的煤矿环境监测无线传感器网络，将有助于提高矿井的抗灾害、事故能力，对减少或避免矿井瓦斯灾害等事故具有十分重要的意义。无线传感器网络是一种实时监测的无线传感器网络，它通过众多传感器节点作地实时监测、感知和采集井下瓦斯浓度等信息，通过嵌入式系统对信息进行解决，通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。1.3.1国外概况在国外，二十世纪60年代以前，就己经存在多种形式的监测监控系统，经历了几个阶段的发展。最初期的是使用继电器用于扫描、报警及模数转换。随后第二代是在六七十年代占主导地位的4-20mA等模拟仪表测控系统，其显著缺陷是:模拟信号精度低，易受干扰。第三代是后来产生的集中式监测系统，这类系统采用单片机或微机作为监测器，它们是整个监测系统的大脑，负责所有数据的集中采集、解决、分析及报警等。 矿井安全监测系统是从煤矿生产系统的遥控、遥信和遥测技术中发展起来的。继五十年代采煤机械化的出现，引起煤炭工业第一次技术革命之后，从六十年代初期，国外就已经开始对环境参数的监测进行了研究。初期的监测系统一般是为井下某一生产环节或某一监测目的而设计的，系统的容量不大。七十年代由于小型和大型计算机的出现，加上新的数据传输和解决技术在煤矿监测系统中的应用，使得德国、美国，英国的监测系统己取得很大进展，近年来各国的监测系统己逐渐从单独的生产监测与安全监控转变为一个综合系统，英国、美国、日本和德国都在不同范围和限度上有所发展和应用。英国现已发展成为适应煤矿各种生产，安全环境的监测和控制而设计一套标准的地面硬件和软件。系统地面设备由计算机、操作台、打印机，屏幕等组成，可对沼气，风速，风压，一氧化碳、扇风机和局扇等的情况实行连续监测，可连续监测128个点，传输距离可达20千米，其标准软件，键控和操纵台显示屏等可进行显示，制图、表、曲线并能根据工作需要进行储存，打印，记录等功能。美国于1978年开始研究SCADA系统重要用于井下设备工况和环境参数的监控。由于美国矿井条件的特殊，机械化限度高，监测系统发展又较晚，总的来看尚处在发展初期。日本矿井少，各矿的监控系统都无定型产品，重要检测对象为瓦斯，一氧化碳，硫化氢，风速，温度，粉尘等；波兰和法国目前用于集中监控瓦斯系统有CTT63140VP，CMM20型CMC-1型等几种，除能监测瓦斯外，还可集中监控一氧化碳，温度，压力等。而德国是发展煤矿监控技术较早的国家之一，有许多自动化装置在井下得到应用，煤矿自动化水平较高。1.3.2国内概况国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代，我国起步较晚，始于20世纪70年代和80年代，美国、法国和英国等先后研制应用了多种型号的矿井监控系统，其中有代表性的一些系统已先后引入我国。20世纪80年代后，我国先后从国外引入数十套监控系统，如美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TF20系统、法国的CTT63/40系统、加拿大的森透里昂系统。我国的煤矿安全监控技术和国外相比尚有一定差距，仍处在引进和研制阶段。现发展了瓦斯断电装置，防止瓦斯爆炸，同时也发展了以测定沼气为主的瓦斯遥测系统。近几年我国计算机化的安全监控也有了较大的发展。羊场湾煤矿使用的综合自动化监控系统是由西安交大博通技术服务公司，与宁煤集团合作设计与开发的，采用了世界最先进的软件和网络设计:羊场湾煤矿地面10OM西门子工业以太网；西门子PROFIBUS现场总线的井下控制系统；上位机软件使用世界排名第一的IFIX。随着计算机技术在安全管理领域的应用，我国安全监测系统在硬件设备不断完善的同时，配套的软件系统也不断取得新的进展，如我国自主开发KJ系列在国内矿井进行了广泛应用，为我国煤矿安全生产起到了重要的作用。总体来看，当前我国煤矿行业信息化水平仍然较低，信息技术应用不平衡，由于煤矿长期粗放经营和国家在煤矿信息技术应用上投入局限性，合用于煤矿井下的信息技术、电子信息产品和信息系统的研发及产业化水平非常落后煤矿井下安全生产的技术支撑保障较为脆弱，这在一定限度上制约着煤矿安全生产工作。从系统集成来看，有关生产、管理的自动化与信息化水平相对较低;从产业角度看，目前煤矿行业安全生产软硬件研发和服务保障系统相对滞后，研发力量薄弱，适合煤矿行业特点和需求的软硬件与电子专用设备、仪器目前仍比较缺少，还难以满足煤矿安全生产的需求和技术升级的需要。随着计算机网络技术、通信技术和智能控制理论的迅速发展，煤矿监测系统也由初期封闭的、不具可互操作性的、造价高的专用监测系统逐渐朝着低成本的智能化、网络化监测系统方向发展。参考文献1 孙利民.李建中.陈渝等.无线传感器网路.北京：清华大学出版社，2023.2 李文仲.段朝玉等.ZigBee2023无线网络与无线定位实战.北京：北京航空航天大学出版社，2023.1.3 Moise N, Delisle G Y. Geolocation in underground mines using wireless sensor networks. IEEE Antennas and PropagationSociety International Symposiumand USNC/URSI Meeting, Washington, USA: IEEE Press, 2023, 2292324 王贺.基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络的研究：硕士学位论文.黑龙江大学，2023.5.5 唐秀辉.无线传感器网络技术及在环境监测中的研究：硕士学位论文.成都：电子科技大学，2023.5.6 李海光. 基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络研究：硕士学位论文.武汉科技大学，2023.5.7 关新明.无线传感器网络的环境监测系统设计.抚顺机电职业技术学校，2023.48 成都无线龙通讯科技有限公司.CC2430/CC2431芯片具体中文使用手册，2023.69 10 赵智慧.基于ZigBee技术的无线传感器节点在煤矿安全监控中的预研究：硕士学位论文.吉林大学，2023.511 文举.无线传感器网路在煤矿安全监控中的应用研究：硕士学位论文.电子科技大学，2023.512 13 赵俊.基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统：硕士学位论文.江苏大学，2023.6.14 沈大伟.基于ZigBee技术无线传感器网络的研究：硕士学位论文.南京理工大学，2023.115 董亚超. 基于ZigBee无线传感器网络环境监测的开发：硕士学位论文.大连理工大学，2023.616 17 18 吴呈瑜. 基于ZigBee的煤矿瓦斯监测系统的研究与实现：硕士学位论文.中北大学，2023.519 IEEE Computer Society，IEEE802.15.4，Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)，USA，IEEE Computer Society，2023.20 钱春丽.张兴敢. 用于矿井环境监测的无线传感器网络.2023.21 汪丹丹.矿用无线传感器网络的研究与设计：硕士学位论文.合肥工业大学，2023.5.22 牛春雷.双路经煤矿环境多参数监测无线传感器网络的设计与实现：硕士学位论文.北京交通大学，2023.6.23 ZigBee Alliance，ZigBee Specification，USA，ZigBee Standards Organization，2023.24 成都无线龙通讯科技有限公司.C51RF-3完全实验手册.2023.6致 谢光阴似箭，四年大学阶段的学习和生活即将结束。我要向所有给过我关爱和帮助的老师和亲友们表达衷心的感谢。真的非常感谢我的良师益友们无私的帮助！在本论文完毕之际，我要特别感谢我的毕设指导老师王军老师，身兼我们专业班主任的他不仅要忙于班级事务，更是细心、热忱的指导我组同学的毕业设计。王老师以认真的教学态度、宽广的知识面、敏锐的学术洞察力带领这我们对新兴科技和具有良好发展前景的学科进行学习研究，让我在毕设期间学到了很多未接触过的新知识，得到了不少启发。在这里我还要深深的感谢我的家人，是你们的质朴和勤劳给我发明了大学的学习机会，你们的关心和支持，是我永远的精神支柱和动力源泉。请你们相信我在最后的时间里也会很好的完毕我的大学生活和学习！附 录1传感器终端节点硬件电路原理图协调器节点硬件电路图附 录2电路元器件参数列表元件类型参数值功能备注C1、C2CAP22pF连接32MHz晶振电路C3、C6CAP220nF去耦合，为电源滤波，提高芯片稳定性C4、C5CAP15pF低功耗设计C7CAP100nF去耦合，为电源滤波，提高芯片稳定性C8CAP47uF改善负载瞬态响应和噪声克制功能C9、C11CAP0.1uF去耦合，为电源滤波C10CAP10uF稳定电源输出D1LED发光报警L1INDUCTOR22nHL2INDUCTOR8.2nFM1MOTOR振动报警MK1MICROPHONE发声报警Q1、Q2、Q3MMBT2904TT1G三极管，为报警电路提供合适电流R1REST56K偏置电阻，为32MHz晶振提供合适电流R2REST43K偏置电阻R3REST300负载电阻，表现传感器内敏感电阻的变化R4REST10K上拉电阻，使信号升高R5REST250K保证电压输出稳定R6REST1K限流电阻R7REST120终端匹配电阻Y1XTAL32MHz石英谐振器，组合晶振电路Y2XTAL32.768KHz石英谐振器，组合晶振电路U1、U5CC2430系统核心射频芯片U2KGS-20瓦斯浓度传感器U3SHT11温湿度传感器U4、U6TPS7333Q5V3.3V电压变化芯片U7MAX485RS485电平信号转换芯片J1DB9计算机接口外文资料Coal mine gas monitoring system based on wireless sensor networkAbstract】Based on the nowadayss condition , it is urgent that the gas detection cable communication system must be replaced by the wireless communication systems. The wireless sensors distributed in the environment can achieve the intelligent gas monitoring system. Apply with multilayer data fuse to design working tactics, and import the artificial neural networks to analyze detecting result. The wireless sensors system communicates with the control center through the optical fiber cable. All the gas sensor nodes distributed in coal mine are combined into an intelligent flexible structure wireless network system, forming coal mine gas monitoring system based on wireless sensor network. Keywords】 gas；communication system；wireless sensor network；data fuse；artificial neural networks；IntroductionWith continuous enlarging of exploiting scope and extension of depth in coal mine , more and more gas is released. The number of persona1 injuries and deaths caused by the gas explosion is increasing year by year, so it is very important to control the gas accidents for achieving the safety in process of coal mine, and the development sustained and the healthy of coal industry. It is the basis of all safety process in coal mine to inspect the gas concentration, that is to say an advanced and intelligent gas inspecting network should be developed, the wireless monitoring system for coal mine environment and the information platform for disaster warning should be established, As well as setting up the Gas Monitoring System on the basis of wireless sensor network underground. 1. Model of wireless sensor network of coal mine gas monitoringAt present, the coal mine gas monitoring system is generally composed by the monitoring sensor, underground substation, information transmission system and surface centre. The junction between the underground substations with the surface centre compose of the information transmission system directly effect on the transmission quality of information and investment cost of the system, The information transmission system Can be divided into three kinds by the structure：radial, circular an tree. The tree system is widely used by most of the coal mines at present, applying with one substation to be joined with several monitoring signals, so as to reduce the system branch and as near as possible to join the system cable which comes from the surface center with the underground substations at the condition of equal monitoring capacity. In the design of wireless communications, the existing optical fiber communication system can be regarded as the trunk of tree, and the respective substations under the mine are replaced by host node of wireless communication system, each host node is joined with several subnodes and together with its subnode formed a group. The gas monitoring wireless communication system in mine tunnel does a new kind of gas monitoring system, which is presented by combining the underground, exist optical fiber communication system with the wireless gas sensor network. 1.1Layout of wireless sensor networkThere are some characteristics of sensor, including inspecting and signal reception, handling, judging, controlling of inspecting system switch and transmitting, as well as the characteristic of controlling the inspecting system switch according to the signa1. Thus each sensor is nominated as sensor node in the multi-sensor system . 1.2 System structure design in the sensor nodeThe system require that at the inner side of sensor node has the functions of storing, analyzing and making decision, the inspecting data and adjudging and analyzing result of each node in the group can be transferred by one another, the communication manner run as the synchronous mechanism. Based on the above the author presents follow sensor node model. 1.2.1 Memory moduleThe sensor with storing function should be adopted in the partitionedarea treatment for storing the inspecting data from other group and transferring, and simultaneously need to store other sensors data of this group for making a decision that whether the inspecting system of this sensor has been opened or closed. All of these constitute the storing system of sensor node. Another important function of storing system is that the historical data inspected by inspecting system of storing this sensor node may be compared with current inspected gas concentration, then come into the gas effusing rate nearby this sensor node. 1.2.2 Communication moduleThe communication system has the functions of sending and receiving the signals. The data that required to be inspected in the multi-sensor network system of underground gas inspecting is the gas concentration in the node of sensor and the gas effusing rate in this node；moreover, the multi-sensor system has to be added with serial number of sensor node during transmitting the signal. 1.2.3 The module for inspectingThe gas of asymmetric diatomic and polyatomic molecule(such as CH4, CO, H2, SO2, NO and C02, etc). All have the characteristic absorption peak in the infrared band；when the infrared radiation goes through the examined gas, the molecule will absorb the light energy, and