基于无线网络的煤矿井下环境监测系统

论文摘要

近年来,我国煤矿安全事故频发,造成了重大人员伤亡和巨大的经济损失,煤矿生产安全形势非常严峻,这与我国煤矿安全技术相对落后,煤矿安全信息系统网络化程度不高有关。因此,开发组网灵活、扩展性强、安全可靠的煤矿安全无线监控系统势在必行。本论文在对国内外相关技术深入研究的基础上,结合ZigBee短距离低速无线网络的技术优势,提出了基于无线网络的煤矿井下环境的监测系统。文章深入研究了煤矿井下环境监测系统的实现方式,设计了系统的总体方案和工作流程；根据系统方案的功能要求开发了基于ZigBee无线通讯模块的数据传输设备和数据采集设备的硬件系统；通过全面地分析影响传感器检测准确度的各种因素,利用补偿校正算法实现对甲烷、氧气、一氧化碳三种气体浓度采集数据的补偿校正,提高了采集数据的准确度。针对ZigBee无线网络功耗控制问题,设计了Z-AODV路由改进算法,并将其应用于煤矿井下环境监测系统,在保证通讯网络稳定的基础上降低了系统能耗；根据各设备在ZigBee无线网络中的功能,设计开发了基于ZigBee2006协议栈（Z-STACK-CC2430）的软件系统,实现了系统设备的无线组网、数据收发等功能。通过对系统的各部分功能模块进行实验测试,其结果验证系统设计的可行性。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 我国煤矿井下环境监测系统研究发展状况
• 1.3 国外煤矿井下环境监测系统研究发展状况
• 1.4 无线传感器网络的国内外研究状况
• 1.5 ZigBee技术的发展状况
• 1.6 本论文研究内容及关键技术
• 2 系统总体方案设计
• 2.1 监测参数选择及技术指标要求
• 2.2 总体设计方案
• 2.3 系统工作流程
• 2.4 本章小结
• 3 系统硬件电路设计
• 3.1 系统硬件结构
• 3.2 数据传输设备
• 3.2.1 电源模块
• 3.2.2 MCU模块
• 3.2.3 存储模块
• 3.2.4 串口模块
• 3.2.5 SPI总线接口模块
• 3.2.6 JTAG接口和复位电路
• 3.2.7 键盘电路设计
• 3.2.8 显示电路设计
• 3.3 数据采集设备
• 3.3.1 数据采集模块
• 3.3.2 声光报警模块
• 3.4 无线网络通讯模块设计
• 3.4.1 CC2430F128芯片和CC2591芯片
• 3.4.2 无线通讯模块的硬件电路设计
• 3.4.3 无线通讯模块的PCB设计
• 3.5 系统的抗干扰设计
• 3.6 硬件电路本征安全设计
• 3.6.1 系统防爆性能要求
• 3.6.2 系统防爆措施
• 3.7 本章小结
• 4 煤矿井下环境监测系统的软件设计
• 4.1 数据采集模块的数据校正和补偿算法
• 4.2 数据采集设备的软件设计
• 4.3 数据传输设备的软件设计
• 4.4 监控中心软件设计
• 4.5 本章小结
• 5 ZigBee协议栈的应用开发
• 5.1 ZigBee协议构架及技术规范
• 5.2 系统网络拓扑结构设计
• 5.3 ZigBee协议栈的研究与开发
• 5.3.1 Z-Stack文件组织结构
• 5.3.2 OSAL操作系统的研究分析
• 5.3.3 主函数和硬件层的开发
• 5.3.4 MJKApp用户程序开发
• 5.4 数据通讯
• 5.4.1 报文格式
• 5.4.2 通讯命令类型
• 5.5 本章小结
• 6 ZigBee路由协议
• 6.1 ZigBee无线网络的节能分析
• 6.2 Z-AODV路由改进算法
• 6.3 ZigBee路由过程
• 6.4 路由修复
• 6.5 本章总结
• 7 样机试验与测试
• 7.1 系统硬件测试
• 7.2 系统无线组网测试
• 7.3 本章小结
• 8 结束语
• 8.1 论文工作总结
• 8.2 需要进一步研究和解决问题
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集