基于ZigBee技术的矿井无线定位系统设计

论文摘要

山西省内分布着很多大小煤矿,由于煤矿安全防护设备的陈旧老化以及安全设施的不足,在出现矿井事故的时候,往往造成大量的人员及财产损失,煤矿的安全问题亟待解决。目前存在的应用于井下的有线和无线的通信方式,不能及时地提供井下作业人员的动态分布及作业情况等信息,一旦事故发生,很难有效展开救援工作。因此准确及时地获得井下人员的位置信息,具有重要的实际意义。在出现了无线传感器网络技术之后,井下的通信及定位问题的解决就有了新的实现方法,本文就目前存在的RFID（射频识别）和nRF2401芯片定位系统的不足,设计了基于ZigBee技术矿井无线定位系统。首先,在井下通信网络的构建上,通过对比ZigBee技术的3种组网方式,选用了健壮性较强的mesh网组网。在硬件选型上,从功耗、成本、通信范围、处理器方面比较了几种常见的ZigBee芯片,选用了休眠电流较小,通信距离较远的JN5139芯片,为了缩短开发周期,使用了博讯公司的JN5139模块,程序编写使用Jennic CodeBlocks编译环境,下载使用Jennic Flash Programmer平台。其次,本文研究了无线传感器网络节点定位算法,简要介绍了与距离有关（range-based）、与距离无关（range-free）的常见算法,以及基于移动的锚节点离开和到达信息、利用RSSI（接收信号强度指示）的变化来定位的算法,在分析了常见定位算法实现的局限性后,采用了比RSSI分辨率更高的LQI（链路质量指示）值,改进了算法,提出了基于3个锚节点的平面定位方案及基于8个锚节点的空间定位方案。最后,实地测量了一些LQI数据,做出了LQI经验值的参照表,通过查表可以将ZigBee模块上报的LQI值转换成相应的距离。用VC++开发了客户端,据本文提出的基于3个锚节点的平面定位方案,在客户端实现了平面定位,验证了算法的实用性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 煤矿安全的现状
• 1.1.1 常用的井下通信方式
• 1.1.2 国内外通信、定位方案及存在的问题
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.2.1 无线传感器网络概念
• 1.2.2 无线传感器网络体系结构
• 1.2.3 无线传感器网络的支撑技术
• 1.2.4 无线传感器网络的热点技术
• 1.3 本文采用的研究方法及定位方案
• 1.4 本文的章节安排
• 第二章 近距离无线通信技术及ZigBee技术概述
• 2.1 常见的近距离无线通信技术
• 2.2 ZigBee技术概述
• 2.2.1 ZigBee技术的体系结构
• 2.2.2 IEEE 802.15.4标准
• 2.2.3 ZigBee协议栈概述
• 2.2.4 ZigBee技术中的设备
• 2.2.5 ZigBee技术中的网络拓扑
• 2.3 小结
• 第三章 矿井ZigBee网络的构建
• 3.1 ZigBee网络的构建
• 3.2 网络的硬件实现
• 3.2.1 硬件要求
• 3.2.2 几种常见的ZigBee芯片以及硬件选型
• 3.2.3 JN5139介绍
• 3.2.4 网络的硬件架构
• 3.2.5 硬件引导驱动（boot）
• 3.3 网络的软件实现
• 3.3.1 软件编译环境及下载工具
• 3.4 小结
• 第四章 节点定位算法
• 4.1 常见的定位算法
• 4.2 本文提出的节点定位算法
• 4.3 小结
• 第五章 无线定位系统的实现
• 5.1 无线定位系统的硬件实现
• 5.2 系统的软件实现
• 5.3 客户端串口程序
• 5.4 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢