基于ZigBee协议的煤矿井下嵌入式系统_图文.doc

第28卷2008年12月 计算机应用 Computer Applications V01.28 Dec.2008 文章编号1001908l2008s20302一03 基于ZigBee协议的煤矿井下嵌入式系统 刘杰1.一,邓志东1,杨鹏2,董志然1”,裴忠民1 1.清华大学计算机科学与技术系,北京lO0084;2.河北。r业大学电气与自动化学院,天津300130 tnich∞ltsin曲u丑 摘要作为新一代无线通信技术,zigB∞以其低功耗、低成本和灵活组网等优点,可广泛应用于各种需要低速率传输的工业场合。针对煤矿井下的安全需求,设计了一种基于zigBee协议的嵌入式系统。详细介绍了zigBee的网络配置,数据传输格式,以及嵌入式系统的程序设计。实验结果表明,该系统能够实现煤矿井下的环境监测、考勤和音频传榆等功能。 关键词zigBee协议;煤矿安全;智能传感器;嵌入式系统 中图分类号仍99文献标志码A Embedded system for coal mine security based On ZigBee protocol UU Jiel”,DENG Zhidon91,YANG Pen92,DONG Zhiranl一,PEI Zhongminl 1.脚。一,n删旷c唧“埘S如,础唧d丁奢如加Z嗍-乃由唱∽‰i岍葛咖臃讲昭100084,傩讹; 2.Sc,100Z o,肌疵渤耐西彬M咖口列A山Dm口如n,肌妊№西∞妙矿7刮hd呦;彻彬,l300130。Ch讹 AbstmctAs a new generation而rele8s co姗uJlication technology,ZigBee network h鹊n姗y advantages such as low cost,low power,and flexible networking.It llas exten8ively been applied in a variety of low data rate indu8try field.Based on ZigBee protocol,a腿w embedded8ystem f矗coal-mine security is desi印ed.,Ille co曲guration of ZigBee仳咖rk,the data tmrlsmissi叩fo册at,卸d the s硪ware desi印are a180舀ven.A lot of sy8tem f曲ctio璐have implemented,including the sec面ty monitodng for unde唱round en“ronment,tlle check on work attend黜e0f wDrke瑙,and出e audio-based caU f南m the mo面toring center to underground worke瑁. 1【ey wordsZigBee protocol;coal-IIline secudty;sman∞nsor;enlbedded8ystem 0引言 煤矿安全管理是一项复杂的系统工程,它是以环境、机械、设备、产品、原材料以及相关的人和环境等综合系统为管理对象,最终的目的是保护人和生产资料的安全。通过对被测参数的比较和分析,提供预防事故的技术数据,便于提前采取防范措施,及时实现自动报警、断电和人员撤离等,防止事故的发生。与此同时,可在事故发生之后及时地为救灾和避难提供指导。近年来,随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业安全生产的需要,许多煤矿企业增加了安全生产的投入,在提高矿井安全生产水平的同时,也为煤矿安全技术的使用、维护和发展提出了更高的要求。然而,目前使用的煤矿井下监控系统通常采用有线的信号传输方式,使得系统或设备只能工作在固定的位置。由于存在移动性差、设备安装局限性大等缺点,使得这种信号传输方式不能实现井下环境的全面实时监控。而基于Z培Bee协议的嵌入式无线网络具有结构简单、体积小、功耗低、成本低的特点。因此,开发设计一种基于zigBee协议的嵌入式无线网络系统,可以将节点灵活地布置在煤矿井下,为各种现场传感器提供无线透明传输通道,直接或者间接地传送矿井内各种安全指标信息至网络协调器,再由协调器经有线光纤传输到地面监管控制中心。这样不仅大大节省井下的各种电缆铺设,降低硬件投入成本,而且在矿难发生的情况下,如果发生无线通信链路中断,则可通过主动抛洒节点等补网措施,自动寻找附近可以链接的z培Bee节点,重新组网,实现与上一层zigBee节点的通信,从而恢复对矿难抢救至关重要的井下通信基础设施等。 1系统设计 1.1概述 在目前的煤矿安监系统中,采用的基本上是以光纤为骨干的有线网络。这种有线网络具有传输稳定,在大部分井下区域布线方便等优点。但对于一些特殊区域,如废弃的矿井或正在采煤或掘进的工作面区域等,这种传输方式还是很不方便。然而这些区域却往往隐藏了大量的潜在危险源。事实上,当井下发生事故后,有线网络很容易受到致命破坏,不利于井下环境探测与人员搜救。以zigBee网络为基础的随机部署、自动组网的无线传输方式可以很好地解决井下通信的问题。井上系统采用有线网络,保证传输质量和速度。将这两种网络结合起来,发挥各自的优势,可满足煤矿井下安全监控的需要。 整个系统分为有线网络和无线网络两部分。有线网络以以太网连接,包括服务器,客户端,数据中心和一些相关设备,主要是为监控中心和管理人员提供监控,管理和维护系统的操作平台。无线网络即为zigBee网络,包括zigBee网络协调器,zigBee路由器和ZigBee终端,主要执行一些实际的功能,如井下环境数据的采集,作业人员的定位与跟踪、音频呼叫等,并将数据经过网络协调器发送给监控中心。 收稿日期20080506。基金项目国家863计划项目2006AA04恐08;2006从040102。 作者简介刘杰1982一,男,河北廊坊人,硕士研究生,主要研究方向检测技术与自动化装置;邓志东1966一,男,四川宜宾人,教授.博士生导师,主要研究方向无线传感器网络、计算智能与机器人、虚拟现实、计算生物学;杨鹏1960一,男,北京人,教授,博士生导师,主要研究方向智能机器人。 12月刘杰等基于zigBee协议的煤矿井下嵌入式系统设计303 z堙Bee网络支持三种网络拓扑结构星形网络,树状网络和网状网络。根据井下监控的需要,本系统采用的是树状网络。图1给出了基于zigBee网络的系统结构,描述了数据流在网络中的可能传输路径。在zigBee网络中有3种无线设备。即协调器,路由器和终端节点。这里,协调器的作用是启动和配置网络,承担有线网与无线网之间的互连,实现ZigBee 网络与监控中心之间的通信。路由器主要是执行路由功能。终端节点的作用是执行一些基本的实际功能,包括环境数据的采集与检测,定位和考勤等功能。此外,利用z培Bee网络的自修复功能,当煤矿井下发生事故后,某些zjgBee节点路由器会被损坏,造成网络传输中断。这时,可由移动机器人携带移动zigBee节点,补充到功能失效的ZigBee节点位置,重新将网络建立起来,从而可恢复正常的传输通路。器p ∞∞mj”∞mn 1・q 口口口一图例 符号汁数I说明 每I协调器 1以太网 ;j1服务器 墨一9通信链路 心5路由器 i14无线访问点 口5客户端 图l系统结构. 1.2网络配置 根据zigBee协议的要求,在建立网络之前需要对网络进行配置。配置参数主要包括最大子节点数cm,最大路由节点数尺m,最大节点深度己m等。最大予节点数是指每个协调器所能管理的z迳Bee设备的最大数量;最大路由节点数是指每个协调器所能管理的zigBee路由器的最大数量,最大子节点数与最大路由节点数的差值就是每个路由器所能管理的最大终端节点数;最大节点深度是指网络所允许的最大的连续的父子节点连接数,这个参数决定了网络的覆盖范围。在煤矿井下,要根据矿井工作面的长度和zjgBee设备的发射功率、功耗等来配置最大节点深度。显然,最大子节点数、最大路由节点数应该在保证所配置的zigBee设备总数不超过zigBee 网络最大容量65,536的情况下,根据实际需要配置一】。 2硬件系统设计与实现 2.1硬件结构 在煤矿井下,恶劣的电磁环境、温度、湿度等不利条件都会严重影响硬件系统的性能。对于整套庞大的井下系统来说。所需设备总数也是不能忽略的,大量的井下设备会造成成本和能量消耗的增加,所以硬件的设计必须考虑到稳定性、功耗和成本等各种因素。图2给出了硬件的结构设计。硬件系统主要由3部分组成功能模块,数据处理模块和电源管理模块。模块之间采用总线的连接方式。数据处理模块和电源管理模块是必需的,功能模块可根据需要选择安装某些模块,也可以不安装,以便组成完整的具有特定功能的zigBee设备。这样的设计可以使安装和布置设备更加方便,同时增强了设备的可扩展性和适应性。在煤矿井下应用中,应尽量减少能量损耗,特别是对使用电池供电的移动设备。因此这里的所有模块都采用了低功耗设计,以满足井下的系统要求。 图2硬件结构 2.2功能模块 我们已经实现的功能模块包括音频模块和传感器模块。传感器模块包括温度传感器、湿度传感器、一氧化碳传感器、氧气传感器、瓦斯传感器和烟雾传感器。每个功能模块都具有独立的接口,理论上所有的功能模块都可以在同一个zigBee设备上工作。 在传感器选型上,也是综合考虑了稳定性、精度和成本等因素,尤其是要能够在煤矿的恶劣环境中能够正常工作。一氧化碳传感器NAP-505、甲烷用传感器TGS26ll、氧气传感器02一A2、温湿度传感器sHTlx/SHrl7x Humid畸而固定zigBee设备由于不需要移动,正常工作时采用直流电源供电,并同时给电池充电,以减少充电带来的不必要的操作;当发生意外情况导致直流电源供电中断时,电源管理模块会把供电模式自动切换到电池供电,已保证节点和网络的正常运行。 3软件设计 由于整套系统是基于1I公司的z-sTAeK上运行的,因此软件部分实际上是指zigBee应用层的软件。按照运行环境区分,应用软件可分为两类一类是在协调器上运行的协凋器程序;另一类是在其他zigBee设备上运行的执行各种功能的终端程序。鉴于对低功耗的要求,当系统空闲时会转入外部可唤 304计算机应用2008牟 醒的休眠状态,既节省了能量又保证了网络的正常运行。 3.1协调器程序 协调器程序担负着将有线网络的协议转换成无线网络的协议的任务,是井上有线网络服务器、数据中心和客户端和井下无线网络zigB∞网络相互通信的桥梁。由于协调器的特殊功能,协调器程序也不同于其他zigBee设备的程序。协调器程序没有任何功能模块的程序,也不能执行任何控制操作。 3.2终端程序 终端程序可以完成各种需要的功能,如井下环境数据的采集等。当终端程序启动,并加入了网络之后,会将自己的IEEE地址和用于通信的网络地址发给协调器,经协调器传送给服务器,及时更新网络地址对应表。完成之后,终端程序会进入休眠等待状态,直到新的命令到来。命令包括三种类型终端参数配置命令、终端控制命令和数据请求命令。当终端程序接收到相应的命令后,会按照指示完成相应的操作。目前,终端程序可完成的功能包括环境监控、考勤和音频呼叫。 作为一种智能传感器,终端设备已经不再只是完成数据采集、数据上报等简单的功能。智能传感器会周期性地采集环境信息,并和预先配置的安全范围比较,如果已经超过安全范围,终端设备会自动把数据发送到监控中心,同时发出危险警报通知监控中心人员。此外,我们还加入了预判断模式,即虽然环境信息状况还没有超出安全范围,但变化比较剧烈,已经超过正常的变化率范围,按照实际情况这是环境状况恶化的信号,所以也应该提前发出预警。而且,终端程序还设有优先级机制,当网络负载过重,出现拥塞后,应该优先发送危险的环境信息,中断其他一般任务的执行。 考勤功能只需将装有zigBee设备的矿帽戴在作业人员头上,当这些作业人员经过装有认证系统的区域时,就会自动完成认证或注销。 音频呼叫功能的基本要求是要求实现双向通话,并保证通话的质量。呼叫是由监控中心发起的,被要求发起会话的zigBee设备会启动音频模块进行声音采样,并将数据交给数据处理模块,数据处理模块将数据分成适合zigBee协议的音频数据包,并将音频数据包发送给协调器。由于会话是双向的,所以要求终端设备也要接收音频数据并播放音频信息。zigBee的数据传输是采用跳跃式的,而且会有网络拥塞和延迟等问题造成在传输过程中出现数据顺序混乱和数据丢失的情况。为了保证通话质量,在终端设备程序中,数据处理模块需要将接收到的来自监控中心的音频数据组合成完整的音频数据流,并具有一定的缓冲能力,然后再将数据交给音频模块播放。4结语 整套原型系统经测试设计合理,运行状况良好,完全能够 满足井下环境监测、考勤和音频呼叫等需求。基于乃gBee订议的煤矿井下嵌入式系统与现有的同类系统相比,具有成本低、功耗低、功能强、模块化设计、集成度高,能够到达有线设备所不能达到的区域等诸多优点,且具有良好的功能可扩展性。通过对系统功能的不断完善与模拟矿井实验。可望进行现场应用验证,并推向市场。 志谢本文的全部工作是在清华大学计算机系无线传感器网络课题组邓志东教授的指导与资助下完成的,相关成果与知识产权归清华大学所有。 参考文献 【1】YANG wEl,HUANC YING.wirele8s粤en80r nelwork ha8ed c∞1 lIIine诵坤less帅d integrated9ecuty monit0丽tIg inf0丌nati伽sy咖m 【C】//PID删n伊the6th 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Washjngt帅DCIEEE Computer Socie_Iy,1998531537. 基于ZigBee协议的煤矿井下嵌入式系统 作者刘杰, 邓志东, 杨鹏, 董志然, 裴忠民, LIU Jie, DENG Zhi-dong, YANG Peng, DONG Zhi-ran, PEI Zhong-min 作者单位刘杰,董志然,LIU Jie,DONG Zhi-ran清华大学计算机科学与技术系,北京,100084;河北工业大学电气与自动化学院,天津,300130, 邓志东,裴忠民,DENG Zhi-dong,PEI Zhong-min清 华大学计算机科学与技术系,北京,100084, 杨鹏,YANG Peng河北工业大学电气与自动化 学院,天津,300130 刊名 计算机应用 英文刊名JOURNAL OF COMPUTER APPLICATIONS 年,卷期2008,28z2 引用次数0次 参考文献9条 1.YANG WEI.HUANG YING Wireless sensor network based esal mine wirelessand integrated security monitoring ination system 2007 2.KLINDA R.BARTOSS V.CSORNYEI M C,eneral purpose combined optical-wirelees Zigbee sensor networks 2007 3.BAI MENG.ZHAO XIAO-GUANG A wireless sensor network used in coal mines 2007 4.杨菲煤矿监控系统方案介绍[期刊论文]-煤炭工程 200710 5.李泉溪.宋培芬.李长有.李鸿征ZigBee在煤矿井下机器人群的应用研究[期刊论文]-河南科学 20072 6.XIN LI.WEI YANG.PING ZENG Topologieal ation time of hierarchy wireless sensor networks for coal mine security monitoring 2007 7.ZigBec Alliance gigBee Speeifieation version 1.0 2004 8.TSANG K F.LEE W C.LAM K L An integrated Zigbce automation systemAn energy saving solution 2007 9.Texas Instruments Incorporated CC2430 PRELIMINARY,rev.1.01 2008 相似文献10条 1.学位论文吴淑然无线传感网络技术在煤矿人员安全监测中的应用研究2009 随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要,煤矿安全问题已经成为国家和企业关注的首要问题,但是煤矿的自然环境复杂,存在多种安全隐患。近年来我国煤矿事故频繁发生,造成重大经济损失和人员伤亡,从而反映现有的煤矿安全监控系统存在一些问题。ZigBee技术是一种新兴的具有统一技术标准的短距离无线通信技术,非常适合用于要求低成本、低功耗的无线传感器网络。将该技术应用于煤矿安全监测,将有效的提高煤矿安全生产监控和管理水平。 煤矿中很多参数现在已经存在经典的测量方案,但是在煤矿特定环境下对人体生理信号的监测方面较少 ,因此本文意在把无线传感网络技术应用到煤矿的部分区域,该技术的应用一方面可以在日常工作中进行环境参数的测量,另一方面在事故发生后,由钻孔处送入新的ZigBee无线路由节点,该节点和矿工们携带的无线传感器节点进行组网,将工人的生理数据送往控制中心,以便为及时、快速、准确的营救确定最佳方案。本文研究的主要内容是人体生理信息的采集,无线传感网络节点的设计,以及基于ZigBee协议的无线组网等方面的内容。 人体的生理信号有很多种,本文选择便于测量,成本低廉的DS18B20作为温度传感器进行体温测量,通过人头部的三点最终确定人体的体温。另外本文对MJC4/3.0L瓦斯传感器进行了硬件电路设计。在节点的硬件设计方面主要通过微处理器MSP430FG4618和射频芯片CC2420设计来满足系统的要求,软件方面主要是在ZigBee协议的基础上编写应用程序的软件,以及用VC软件编写的上位机界面。 2.学位论文顾志峰基于ZigBee和GPRS的无线网络在煤矿安全中的应用研究2007 我国是一个产煤大国。近年来,煤矿安全事故却频频发生,造成了重大人员伤亡和巨大经济损失,形势非常严峻。这与我国煤矿安全信息技术的网络化程度不高密切相关。现有的煤矿安全信息系统基本上是通过有线网络建立的,随着煤矿的不断开采,煤矿井下的物理结构也不断地相应改变,原先设计好的有线网络传输系统不能灵活调整,很难做到完全地监测覆盖。因此,建立一套组网灵活,扩展性强,安全可靠的煤矿安全无线网络势在必行。 随着信息技术的发展,涌现出了许多无线网络技术。ZigBee技术作为一个新出现的无线个人区域网络WPAN通信技术,以其协议简单、成本小、功耗低、组网容易等特点,在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间。通用分组无线业务GPRS是以全球移动通讯系统GSM为基础的数据传输技术。它不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点,而且其本身就是一个分组型数据网,支持TCP/IP协议,可直接与hltemet互通。随着网络的完善,在包括煤矿安全在内的许多领域,GPRs得到越来越多的应用。 论文以上海市重大科技攻关资助项目“煤矿安全实时监测系统研究与应用”032512075为背景,通过对煤矿安全实时监测系统进行需求分析,引入了ZigBee和GPRS技术,结合两者优势,深入研究基于ZigBee与GPRS的无线网络在煤矿安全系统中的应用。 本文详细地剖析了ZigBee协议。结合煤矿行业的特殊性,设计出了一个适用于煤矿井下的无线网络拓扑结构。描述了ZigBee无线网络组网过程,对设备如何建立网络,加入网络等问题进行了研究。对现有的无线路由协议进行全面地比较,分析各个路由协议的特点,针对实际煤矿安全环境的需求,选用适当的路由协议。阐述了路由建立方法,定义了建立路由表,接收数据帧等问题的处理流程。 然后,阐述GPRS技术的特点与基本原理。分析了GPRS网络中的TCP/IP协议。从协议栈和速率匹配的角度,讨论了ZigBee协议数据与GPRS网络中传输的TCP/IP协议数据互转的可行性,设计了GPRS与ZigBee网关。 最后,介绍了系统的硬件设计方案,ZigBee采用了Freescale的MCl3192 DSK开发板,GPRS采用了索尼爱立信的GR64模块。描述了如何实现软件,结合课题项目,搭建了实验平台,进行系统集成。 3.学位论文张文平基于ZigBee技术的无线煤矿安全信息系统2007 体结构包括硬件结构、软件结构以及通讯接口等,并实现了两个煤矿井下的典型应用。该平台中使用新兴的ZigBee协议来作为无线传感器网络的通信协议,使得该无线传感器网络平台可组成高容错性、低能耗、低成本的多跳分布式传感器网络。结合矿井的实际情况,用ZigBee技术解决了综采工作面和采空区数据传输问题。 4.期刊论文李仁玉.罗勇.LI Ren-yu.LUO Yong基于TCP/IP和ZigBee协议的煤矿安全智能监控系统-煤矿机械 2009,307 研究了基于TCP/IP和ZigBee协议的煤矿安全智能监控系统的设计和实现.该系统由无线传感器、监控分站、监控服务器、监控软件及网络设备等组成,具有煤矿生产现场数据采集精度高、传输距离远、实时性强、稳定可靠等特点,符合煤矿安全监控系统通用技术要求,为煤矿安全生产提供了有力的保障. 5.学位论文庞红梅矿井瓦斯监测中无线数据传输的Zigbee方案2008 矿井中的瓦斯检测问题,历来是影响煤矿安全的重大问题,它已经给国家和人们的生命安全造成了重大损失。及时、准确地对瓦斯进行实时监测在煤矿安全生产系统中显得非常重要,而要实现瓦斯的连续动态监测,除了高灵敏度的瓦斯传感器外,还必须具备承担数据采集和传输的智能化、无线化远程监测系统。 本文设计了一种低功耗、低成本的Zigbee无线传感器网络智能矿井瓦斯监测系统,并对该方案中所涉及的关键技术、系统构架、各部分功能实现,进行了深入研究。主要做了工作 1分析了当今矿井瓦斯智能监测系统的发展,以及有线传输方式对系统发展产生的制约,对比几种无线传输技术的特性,简要分析了Zigbee无线传感器网络技术引入井下瓦斯监测系统国内外的研究状况。 2对Zigbee无线网络协议进行了阐述,说明了IEEE 802.15.4网络协议的标准,分析了Zigbee协议的网络拓补结构,探讨了Zigbee无线网络技术在矿井瓦斯监测中应用的优越性。 3设计了矿井瓦斯监测中无线数据传输的Zigbee方案,并对系统各个部分的功能及电路设计进行了介绍。重点介绍了系统MCU微处理器的应用;Zigbee模块AT指令的开发应用;无线数据传输模块单元的具体设计与实现;及监测系统外围扩展电路的设计与实现。 4完成了监测系统各个单元的软件设计和上位机软件设计,利用相关的通信协议和数据传输格式编写出监测中心的应用软件。最后对系统网络的传输性能进行了实验测试,结果表明该系统在空旷区传输距离小于70m时,误码率小于0.33,完全可以实现对瓦斯传感器采集数据的无线准确传输,是一种非常有效的矿井瓦斯智能监测系统。 6.学位论文王晟无线传感网络节点定位与覆盖控制理论及技术研究2006 无线传感器网络具有布线成本低、监测精度高、容错性好、可远程监控、便于诊断与维护等众多优点,在环境监测、事故定位救援等领域有着广阔的应用前景,其根本任务是准确获取物理世界的有价值信息。无线传感器网络借助于节点的时间与位置信息,实现传感器节点之间控制和传感数据高速率、低延迟的交换,以保证整个检测与控制系统的准确性与实时性。无线传感器网络面临计算、存储与网络资源等方面的限制,针对如何进行无线传感器网络中节点高效、低能耗的定位以及覆盖等问题展开研究具有十分重要的意义。作者将研究成果应用于煤矿安全监测领域,设计了煤矿井下的瓦斯监测和矿工定位以及节点覆盖的解决方案。 1.研究和分析了无线传感器网络节点定位算法的自身特点,结合煤矿监测系统的应用背景需要,设计了一种基于DV-Hop算法和概率栅格方案的新节点定位算法。新算法在不需要额外硬件设施的前提下,能获得更高的定位精度;并针对原DV-Hop算法中因全局洪泛而导致大量系统能耗的缺点,提出了基于露珠洪泛思想的节能方案。为煤矿井下矿工定位和矿难救援提供了一种具有广泛应用前景的解决方案 ,并对改进算法做了系统仿真和数据分析。 2.研究和分析了无线传感器网络中节点边界定位的相关算法和节点覆盖方案,提出了一种基于对冗余节点进行优化调度理论的节点节能覆盖方法。该方法利用网络中同时存在大量冗余覆盖节点集的情况,对这些集合进行工作/休眠模式转换,在保证网络覆盖的前提下,减少大量节点的工作时间,以提高网络生存寿命。仿真实验证明此算法在保证较高网络覆盖率的同时,较一般无线传感器网络覆盖算法具有更长的生存时间。 3.基于上述方法,设计了一种基于瓦斯有线光纤传感监测和矿工无线传感器网络节点定位的煤矿井下监测系统。为了适应远程测控、快速救援等实际应用,对基于有线光纤传感的瓦斯监测系统和基于ZigBee协议的无线传感节点定位系统进行了分析与研究,广泛结合二者的优点,设计了一种基于混合传输方式和供电方式的煤矿监测系统方案。并引入参考节点组技术,解决实际应用中矿工节点动态性定位的问题。利用无线传感器网络进行复杂环境监测的研究,涉及微电子、光纤传感、计算技术和无线通信等多个领域,许多知识和技术都是若干学科的交叉,因此,其理论的深入研究和技术的开发应用尚有大量艰巨的工作。 7.期刊论文黄布毅.常亚军.张海霞.王俊.HUANG Bu-yi.CHANG Ya-jun.ZHANG Hai-xia.WANG Jun基于无线传感器 网络的煤矿安全监测系统设计-通信技术2008,419 煤矿安全已经成为社会非常重视和关注的问题.针对当前基于有线网络和固定传感器技术的监测系统存在监测盲区的问题,设计了一套基Zigbee技术的无线传感器网络煤矿安全监测系统方案.系统利用无线传感器网络,实现了监测节点的灵活布置;采用低耦合的RS232通讯协议及硬件模块化,实现了传感器的灵活添加与监测计算机软件稳定性的增强. 8.学位论文强云霄基于IEEE802.15.4的井下移动节点路由建立方式研究及仿真2008 我国煤矿事故频出,严重影响了正常的生产工作和井下人员的生命安全,因此更加显示出井下安全信息系统对于煤矿安全生产的重要性。 现今的井下安全信息系统都是以工业总线为基础,构成有线的通信传输网络。但是伴随煤矿开采速度的加快,有线网络存在覆盖率,扩展性,灵活性方面的不足,为了更好的解决这个问题,引入无线个人区域网络wireless personal area network,简称WPAN,为近距离范围内的设备建立无线连接,把几米范围之内的多个设备通过无线方式连接在一起,使它们可以相互通信甚至通过网关设备接入局域网或者互连网。 ZigBee技术作为一个新近出现的WAPN通信技术,以其协议简单、功耗低、组网容易等特点,在家庭自动化、智能建筑、工业监控领域具有广阔的市场空间。 本文首先全面分析研究ZigBee协议架构、网络拓扑以及组网技术,认识ZigBee的技术优势和应用,针对井下环境的需要,设计以ZigBee技术为基础,适用于煤矿井下巷道局部区域的无线网络模型。 本文重点研究Ad hoc网络两种典型路由协议的路由建立方式AODVAd Hoc on-demand Distance Vector Routing,Ad Hoc按需距离向量协议、DSRDynamic Source Routing Protocol,动态源路由协议。针对不同的网络容量移动节点密度对两种路由协议进行了模拟,选取数据分组投递率、端到端的平均延时、平均跳数、路由开销作为参数,在网络仿真平台NS2上进行仿真,对仿真结果进行详细的分析,分析移动节点密度对网络性能的影响,其结果对于工程应用,无线网络的部署有现实的指导意义。 9.学位论文牛春雷双路径煤矿环境多参数监测无线传感器网络的设计与实现2008 我国的煤炭储量十分丰富,煤炭在我国能源体系中占有很重的地位。但是我国煤矿自然条件复杂,现有的煤矿环境监测系统不足以保证煤矿的安全生产。煤矿监测系统的落后在数据采集上表现在监测参数单一,在传输方式上表现在有线传输方式布网不灵活,网络维护开销大。在有线监控系统的基础上进一步融合基于无线传感器网络的多参数监测系统,构成煤矿安全监测无线与综合信息系统,将极大地提高煤矿环境监测与预警水平。正是在这种背景下,本文提出一种适合于煤矿环境监测的双路径煤矿环境多参数监测无线传感器网络。 该网络的网络设备包括协调器、主路由器、辅助路由器和端节点。协调器负责建网和对全网的管理;主路由器负责维护主通信路径,辅助路由器负责维护备用通信路径,这就在网络结构上保证了数据传输的可靠性;每个端节点可以监测多种环境参数,为煤矿的安全生产提供更加全面的保障。为了完成网络的监测功能,根据无线传感器节点的通用结构设计了网络节点的硬件,并在ZigBee协议的基础上开发了节点的通信软件。 为了保证网络拓扑顺利建立分别针对协调器建网、主路由器入网、辅助路由器入网和端节点入网4个过程进行了软件实现,并且提出了网络地址分配算法。针对节点离开和新节点加入两种网络结构变动的情况提出了网络结构维护措施。为了尽可能降低网络的能耗,为网络中的节点设计了能耗依次降低的工作、侦听和睡眠三种状态。 网络的数据采集与传输采用周期巡检或者中断唤醒的方式,为了满足多参数的监测需求对硬件进行了合理的配置,设计了数据的存储格式,以及数据传输中的路由机制。为了保证网络的可靠性开发了基于数据传输的网络管理功能,并且结合协议和数据的融合方式分析了网络的容量。