基于ZigBee的矿井环境及人员监测系统研究本科毕业设计论文Word格式文档下载.docx

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本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

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日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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涉密论文按学校规定处理。

导师签名：

日期：

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

4、研究方法的科学性；

技术线路的可行性；

设计方案的合理性

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

建议成绩：

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

二、论文（设计）水平

评阅教师：

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

3、学生答辩过程中的精神状态

评定成绩：

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

教学系意见：

系主任：

摘要

本论文主要探讨了应用ZigBee技术来实现对矿井环境及其人员的定位系统，采用ZigBee无线通信技术的人员跟踪定位系统，可以实现井下人员的精确跟踪定位，同时可以进行考勤和监督管理。

不仅在井下发生事故时发挥重要作用，而且可以用于日常的管理，使得整合环境监测系统使得功能更加完善，从而通过网络可以实现监控终端和井下工作人员的双向通信。

该系统的软件流程图主要包括有3大部分：

无线网关子程序、参考节点的子程序及盲节点的子程序。

通过对参考节点以及盲节点的编程，来实现相应模块的功能，并进行通讯，最终传送给PC机。

其中PC机的界面由VisualBasic来进行开发，而无线网关子程序、参考节点的子程序及盲节点的子程序通过IARsystem开发环境来实现，这样，矿工所处的位置即可通过无线网关发出的查找指令，传递给盲节点，盲节点再与参考节点进行数据交换，计算出其自身的坐标，并将最终的计算结果通过无线网关传递给PC机。

这样，就可以实现对井下环境的监测及人员的定位，从而在发生矿难时第一时间进行搜救工作，对可能潜在的危险进行分析。

该论文给出了详细的实现过程及其方法。

论文最后对结果进行了分析，发现了其低成本的优势以及这一可行性，并针对实验结果中的不足，进行了相关的改进分析，从中总结经验。

关键词：

ZigBee，矿井环境，人员定位

AresearchaboutmineenvironmentandpersonnelmonitoringsystemarebasedontheZigBee

ABSTRACT

ThispapermainlydiscusseshowtousetheZigBeetechnologytoachievetheenvironmentoftheminetheenvironmentofthemineandthepositioningofthepersonnel.TheusingofZigBeewirelesscommunicationtechnologycanrealizethepositioningofthepersonnelwhoisundergrond,andcansuperviseandmanagethepersons.Notonlycanitplayanimportantrolewhentheaccidentsisoccured,butalsocanbeusedforthemanagement.Thusthiscanmaketheintegrationofenvironmentalmonitoringsystemmoreperfect,andcanbeachievedthetwo-waycommunicationbetweenthenetworktomonitorterminalsandundergroundstaff.Thesystemflowchartofthesoftwaremainlyincludes3parts:

thesubroutineofthewirelessnetwork,thesubroutineofthefixedpointandthesubroutineofthefreepoint.Throughtheprogrammingtothewirelessnetwork,thesubroutineofthefixedpointandthesubroutineofthefreepointtoachievethefunctionsabouteverycorresponding,andcommunications,andeventuallytopasstheresulttothePCmachine.TheinterfaceofthePCmachineisdevelopedbyVisualBasic,andthewirelessnetwork,thesubroutineofthefixedpointandthesubroutineofthefreepointisdevelopdenbytheIARsystem.Inthisway,theminer'

spositioncanbefoundthroughthewirelessnetworksendingtheinstructionofthesearch,andpassingtofreenode.Thedataisexchangingbetweenfreenodeandfixednode,andthencalculatetheircoordinates,andthefinalsendtheresulttothePCmachinethroughthewirelessnetwork.Inthisway,canwerealizethemonitoringofthemineenvironmentalandtheorientationofthestaff.whentheaccidentoccurredwecansearchforthepersonsforthefirsttime,andanalysisthepotentialrisk.Thepapergivesadetailedimplementationprocessandit’smethod.

Finally,theresultsareanalyzedandfoundthatthisprojectislowcostandcanbeused.Accordingtotheexperimentalresultsinthedeficiencyweneedtoimprovetheanalysis,andtosummarizetheexperience.

KEYWORDS:

ZigBee,theenvironmentofthemine,thepositioningofthepersonnel

第1章绪论

1.1选题背景

众所周知，在我国，煤炭资源相对丰富，而开采条件却较为复杂，与此同时，近几年对于矿井开采时的安全问题仍然存在着诸多隐患，因而矿难发生频率居高不下，煤矿的安全生产面临问题，煤矿的管理面临问题，煤矿工人的安全更是缺乏保障，井下环境更是复杂，存在着信号的干扰。

虽然已经有些矿山企业运用了智能系统，但现有的大多数系统仍然不够完善，存在传感不灵活，不能全方位定位等系列问题。

为解决这些问题，需要改善矿井下环境的恶劣条件，将矿井下的环境进行实时监测，熟悉矿井的环境，并且保证在发生矿难时，能够第一时间展开救援工作，以确保矿工的生命安全。

针对这一情况，开展该课题的研究就显得尤为重要。

该课题是基于ZigBee来进行矿井环境及人员监测。

它具有低功耗、低成本的优点。

由于ZigBee是一种无线组网通讯技术，因而矿工只需随身佩戴相关的硬件，并不会因为过多的线缆而带来许多麻烦。

它是由以CC2430芯片为主的参考节点及以CC2431芯片为主的盲节点组成的。

其中参考节点分布在矿井环境中，用来确定矿井内部的环境特征，将矿井下的环境图模拟出来。

盲节点则是由矿工随身佩戴的，通过与参考节点的通讯，将数据传给PC机，来确定盲节点的具体坐标，从而确定矿工的具体位置。

这种方法可以准确及时的反应矿工的位置，且具有很高的安全性。

综上所述，基于ZigBee的矿井环境及人员监测系统研究，能够有效解决煤矿的安全生产、煤矿的管理、矿工的安全等诸多问题，且成本低，功耗低，使用方便，定位迅速准确，对于采矿的安全问题有深远的意义，比较适合应用于煤矿企业，具有较高的推广意义。

1.2典型无线定位系统

1.2.1GPS定位技术

GPS[1]定位技术是目前应用最为广泛的定位技术。

当GPS接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减，定位精度也很低，要想达到室外一样直接从卫星广播提取导航数据和时间信息是不可能的。

为了得到较高的信号灵敏度，就需要延长每个码延迟上的停留时间，A-GP（AssistedGPS，无线网络辅助GPS）技术为这个题的解决提供了可能性。

室内GPS技术采用大量的相关器并行地搜索可能的延迟，同时也有助于实现快速定位。

利用GPS进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。

缺点是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，而且定位器终端的成本较高。

1.2.2无线定位系统

（1）RADAR系统

Microsoft公司开发的RADAR室内定位系统[5]利用“指纹识别”技术进行定位解决WLAN中定位移动计算设备的问题。

该方法是通过对特定环境下的RF信号衰落征值进行处理实现的。

RADAR[5]系统是基于IEEES02.1lWLAN的室内无线射频定位系统，属于采用经验测试和信号传播模型相结合的场景法定位系统。

RADAR系统把信号强度作为估算频发射器与接收器间距的依据，建立射频信号的传输信道模型，确定信号衰减与射器、接收器间墙壁数量的关系，从而得到给定位置接收器最优的距离估算参数该系统事先在建筑物内部固定有三个位置已知的基站，待定位置的移动点通过两步骤获取位置。

首先是一个离线的数据收集的过程，由各移动节点发送广播报文，基站的接收器根据信号强度确定移动节点的位置，并将此位置存入一个场景．位置的表结构中。

第二个步骤是在线数据处理过程，移动节点定期发送广播报文，基站节点查表，根据接收信号的强度找出最为接近的位置作为节点当前的位置。

RADAR系统的主要优点在于易于安装、需要很少基站，采用无线网络结构。

但是，其依赖于无线局域网技术，制约了节点的种类、大小和电源情况。

RADAR系统实现了楼内2～3m的实时定位。

提出了WAF模型替代经验数据来推动节点位置的方法并做了初步尝试。

（2）SpotON系统

SpotONt[6]标签的硬件有DragonballEZ处理器、在916.5MHZ的TRl000射频收发器和10.0bitA/D转换器构成。

该系统基于射频接收信号强（RSS）分析的三维位置感知方法，实现小范围的定位。

SpotON系统中硬件标签网络状分布，无需中央控制单元，通过标签测试到的信号强弱来表征标签之间的几何距离。

但是，完整的SpotON系统到目前为止还没有建成。

（3）Cricket[7]系统

E．911系统和智能机器人导航领域都有使用AOA技术确定目标方向和位置的技术，但它们大都使用了高能耗的天线阵列测量信号方向，不适用于低功耗的WSN领域。

针对这个问题，MIT提出了一种融合TDOCompass，其原型系统可在+40。

角内以±

5。

的误差确定接收信号方向。

Cricket系统是麻省理工学院的Oxygen项目的一部分，用来确定移动或静止节点在大楼内的具体所在房间位置。

该定位系统利用射频信号与超声波信号到达时间间隔和各自的传播速度，计算出未知位置节点到已知位置节点的距离。

然后通过比较到各个临近信标节点的距离，选择出离自己最近的信标节点，从该信标节点广播的信息中取得自身所在的房间位置。

1.3ZigBee技术的现状与发展

1.3.1国外技术现状

从国际方面来讲，国外研究矿井监控系统的起步较早，迄今为止已经基本实现了可控，可调等高效的状态。

在目标上，也有很大胆的设想。

比如加拿大正在为其改造北部的一个矿山而规划，即到2050年，便可将其改造为一个能够通过卫星操控所有设备来实现自动开采的无人矿井。

1.3.2国内技术存在问题

国内已经有很多企业都有了数字化改造，各种监控系统已经被应用于地下矿井中，但仍处于起步状态，在技术上还尚不成熟。

现有的技术有RFI射频读写系统、SuperRFI定位系统。

RFI射频读写系统主要用于矿井进口处，或其他井下一些关键通道处，用刷卡的方式对下井人员进行登记从而跟踪其所处的大致位置。

而它存在着一定的缺陷，即通信时存在一定的干扰，对通信电缆有着过分的依赖，有效通信距离被限制，价格昂贵等。

SuperRFI定位系统通信距离比RFI射频读写系统稍微有所改进，但和RFI射频读写系统有着同样的缺陷。

同国际上的发达国家相比，还存在很大的差距，国内许多设备存在着一定程度的不兼容，不够智能化等各种问题。

就ZigBee技术而言，其市场仍然处于起步阶段，主要表现在在于可应用的终端商用产品还多处于研发阶段，而且应用于上市的不多，具有非常典型的应用方向，它的点对点的应用较多，但是体现ZigBee优势的网状网络应用却很少，缺乏体现ZigBee大型组网应用。

1.4无线传感器网络应用

无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索等。

随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用，也将逐渐深入到人类生活的各个领域。

目前，无线传感器网络主要应用于：

（1）军事应用：

无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。

利用无线传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场的实时监视、目标定位和搜索等功能。

无线传感器网络已经成为军事系统必不可少的一部分。

美国DARPA很早就启动了SENSIT计划，目的就是将各种类型的传感器、可重编程的通信处理器和无线通信技术组合起来，建立一个廉价无处不在的网络系统，用以监测光学、声学、震动、磁场、毒物温度等物理量。

（2）环境监测和预报系统：

基于传感器网络的ALERT系统中就有数种传感器用来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并一次预测爆发山洪的可能性。

类似地，无线传感器网络可实现对森林环境监测和火灾报告，节点被随即密布在森林之中，平常状态下定期报告森林环境数据，当发生火灾时，这些传感器节点通过协同合作会在很短的时间内将火源具体地点，火势大小等信息传送给终端平台。

（3）医疗护理：

无线传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医患行动，药物管理等。

如果在病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，医生利用传感器网络就可以随时了解被监护病人病情，发现异常及时抢救。

（4）智能家居：

在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。

利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控。

（5）建筑物状态监控：

利用无线传感器网络来监控建筑物的安全状态。

由于建筑物不断修补，可能会存在一些安全隐患。

将无线传感器节点安装在大楼、桥梁和其他建筑物，使其能探测本身的状况，并将通过无线网络将数据传输至监控平台。

1.5选题的期望成果

设计基于ZigBee的矿井环境及人员监测系统存在以下几个优点。

首先，由于在矿井下环境复杂，因而该系统要考虑环境因素的影响，即它要能实现实现多个定位网络间的可靠通讯。

这样我们就需要加入多方面的考虑因素，如墙壁的厚度、井下信号的干扰等。

其次，由于矿井下结构复杂，因而要尽量避免过多使用线缆，以免造成资源的浪费及线缆容易出现故障等问题。

采用ZigBee无线通讯可以有效的解决这一问题，使井下的环境及人员的定位更加简便。

最后，系统应当能够自动计算自己的精确位置实现极高的实时定位精度，避免因过多盲节点同时出现在同一位置时，通讯出现混乱。

必要时，可以在盲节点上加入更多传感器，可以采集如脉搏信号以便获取矿工的安全状况、气体浓度以便提前预知矿井下是否存在安全隐患等，并通过ZigBee将采集到的信号传递给PC机终端设备。

1.6本论文的主要内容

本文通过讨论无线传感器网络关键技术，并根据矿山特殊开采环境的特点，研究了如何将无线传感器网络应用于矿井安全监测系统。

给出了新的传感器节点的部署算法，优化了网络拓扑结构。

本论文的主要内容包括：

第一章：

绪论。

无线传感器网络概述，目前矿井安全监测系统现状，以及本文的研究意义。

第二章：

介绍适用于矿山安全监测系统的无线传感网络关键技术（ZigBee技术）及其优势。

第三章：

对硬件系统的研究，研究矿井下无线传感器网络的节点部署、拓扑结构；

并给出了优化部署算法。

第四章：

基于ZigBee技术的算法介绍。

第五章：

对软件系统进行研究，采用IRA软件平台进行开发，并用VisualBasic开发相关界面。

论文最后是总结与展望。

对本课题所取得的成果进行小结，并归纳工作中存在的不足，提出