煤矿井下人员定位算法的设计和实现

论文摘要

为改善并最终解决我国煤炭开采技术落后,煤矿安全事故多的问题,本文通过对国内外煤矿井下安全技术和设备的对比研究,首先确定了以无线传感器网络构建井下人员定位系统这一目标,并选择了适合煤矿井下环境通信及定位的Zigbee无线通信技术作为本文的技术基础。本文通过对无线传感器网络中的节点定位算法机理和性能的分析,结合对煤矿井下定位环境的理解,阐明了在井下环境中非测距定位算法的优势。通过对现有非测距定位算法的研究和改进,提出了一种基于Zigbee的热点簇中心定位算法(HCCS)。本算法是以节点接收信号强度指标(RSSI)为定位依据的一种分布式非测距定位算法,具有硬件依赖低、计算复杂度低、精确性高等优点,并以一系列仿真结果客观的分析和证明了HCCS的优势。本文还通过对现有各大厂商的Zigbee定位解决方案的分析,最终确定以Ti公司的CC2430/CC2431芯片为核心建立定系统。经过对CC2430/CC2431硬件结构和Zigbee协议的分析,分别设计定位系统中的信标节点、移动节点和协调器节点,并为它们分别设计了系统软件,从而实现了基于Zigbee的人员定位网络。还通过对节点布设评价指标的分析,结合节点覆盖模型和能量消耗理论,给出了基于Zigbee的井下人员定位系统节点布设的原则。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 课题的研究意义
• 1.1.2 国内外研究现状
• 1.2 无线传感器网络
• 1.2.1 无线传感器网络概述
• 1.2.2 无线传感器网络的组成结构
• 1.2.3 无线传感器网络的特点
• 1.2.4 无线传感器网络的应用范围
• 1.3 Zigbee 技术
• 1.3.1 Zigbee 概述
• 1.3.2 Zigbee 技术的特点和架构
• 1.3.3 Zigbee 技术与其他无线技术的比较
• 1.4 本文的内容和结构
• 第二章 定位算法的设计
• 2.1 定位算法和系统的性能评价标准
• 2.2 定位算法和系统的分类和介绍
• 2.2.1 定位算法的分类
• 2.2.2 典型定位算法介绍
• 2.3 基于Zigbee 的热点簇中心定位算法（HCCS）
• 2.3.1 最大簇中心定位算法
• 2.3.2 热点簇中心定位算法（HCCS）
• 2.4 仿真与比较
• 2.4.1 MCCS 定位系统的仿真
• 2.4.2 HCCS 定位系统的仿真
• 2.4.3 HCCS 与MCCS 的比较分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于Zigbee 的井下定位网络的设计和实现
• 3.1 基于Zigbee 的无线传感器网络总体方案设计
• 3.1.1 系统结构方案设计
• 3.1.2 系统的定位策略
• 3.2 系统硬件设计
• 3.2.1 Zigbee 设备方案的选择
• 3.2.2 CC2430/CC2431 简介
• 3.2.3 其他外围设备介绍
• 3.2.4 Zigbee 定位网络中节点的设计
• 3.2.5 定位系统各部分的电源设计
• 3.3 系统软件设计
• 3.3.1 通信协议的完善
• 3.3.2 下位机软件设计
• 3.3.3 上位机软件设计
• 3.4 本章总结
• 第四章 井下定位网络中节点的部署
• 4.1 节点部署的评价指标
• 4.2 常见的覆盖优化模型分类及其目标
• 4.2.1 根据节点部署的方式
• 4.2.2 根据节点感知的模式
• 4.2.3 根据节点关注的目标
• 4.2.4 节点运动的情况
• 4.3 传感器网络的寿命
• 4.4 基于Zigbee 的井下人员定位系统的节点布署的原则
• 第五章 总结与展望
• 5.1 目前工作的总结
• 5.2 未来工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录（攻读学位期间的研究成果）