煤矿井下无线传感器网络原型系统设计

论文摘要

目前,国内的煤矿安全和生产监控等各种信息采集和传输网络,基本上都是采用分支树型的主从式结构。这种方式存在着诸如有线传感器接入不灵活、在煤矿工作面实现跟进不方便等缺点,成为井下信息监控网络应用的瓶颈。无线传感器网络是临时性自治网络,由带有无线收发装置的移动终端组成,终端间的通信是通过数据分组在节点间进行多跳传递实现的。本文通过井下无线传感器网络的设计,为煤矿井下数据采集和节点定位提出一种新的解决方案。通过对煤矿井下环境的研究,结合应用需求,针对部署环境设计了整个系统的体系结构。进行了以ARM7处理器LPC2103为核心的MCU板的设计、无线数据通信模块的集成与应用、以AD8361为核心的信号强度测量模块的设计。并对软件的体系结构进行划分并对个功能模块进行划分和设计。对现有的无线传感器网络路由协议进行分析比对,通过对本系统需求的分析,选择适合本系统的路由协议,并进行模拟实验。提出了适合于本原型系统的二次应答按需路由协议,采用这种协议可以做到协议简单,容易实现,在原型中予以采用。通过对现有测距和定位技术的分析比对,结合系统应用的实际情况,设计了利用信号强度进行测距的方案,并采用了三边定位算法,通过较小的系统开销,进行节点定位,并获得了满足实际需求的定位精度。通过对整个原型系统的体系结构设计,功能模块划分,节点硬件设计,定位算法的选择与实现,路由协议的对比选择与实现,完成了煤矿井下无线传感器网络原型系统的设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 煤炭生产安全与生产监控面临的主要问题
• 1.1.1 应用无线传感器网络保证煤炭生产安全与矿井安全
• 1.1.2 煤矿井下传感器网络特点介绍
• 1.2 无线传感器网络简介与井下应用产品现状
• 1.2.1 WSN简介与研究发展现状
• 1.2.2 井下应用现状及代表产品
• 1.3 井下应用系统需要解决的主要问题及开展的工作
• 1.3.1 井下系统应用
• 1.3.2 面临的主要技术问题
• 1.3.3 主要研究工作与技术创新
• 第2章 系统体系结构研究与节点硬件设计
• 2.1 系统结构研究及方案应用技术背景
• 2.2 节点结构研究
• 2.3 节点系统主控板硬件设计
• 2.3.1 主控板设计要求
• 2.3.2 主控板硬件系统方案选择及系统设计
• 2.3.3 主控板硬件设计及接口电路
• 2.4 节点通信与测距功能子板硬件设计
• 2.4.1 井下无线数据通信模块选型与评估
• 2.4.2 井下信号强度测量模块设计
• 2.5 系统软件设计
• 2.5.1 节点嵌入式软件系统结构
• 2.5.2 μC/OS-Ⅱ操作系统
• 2.5.3 硬件驱动软件设计
• 2.5.4 基于μC/OS-Ⅱ的井下传感器网络服务模块设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 传感器网络路由算法研究与实现
• 3.1 自组织网络路由协议
• 3.2 井下应用系统路由协议算法研究与设计
• 3.2.1 常见路由算法对比与分析
• 3.2.2 井下应用系统路由算法SRDR设计
• 3.3 井下按需路由算法的实现
• 3.3.1 路由数据结构
• 3.3.2 软件流程
• 3.3.3 井下SRDR路由算法特点与性能分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 节点定位算法研究与实现
• 4.1 传感器网络经典节点定位技术研究
• 4.1.1 免测距算法
• 4.1.2 测距算法
• 4.2 井下定位算法设计
• 4.3 算法实现与定位性能分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢