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矿区安全生产智能监测预警系统 专业：通信与信息系统 硕士生：王伟佳 指导教师：黄晓副教授 摘要 在传统的煤矿生产中，安全问题一直是大家关注的焦点，如何实时了解煤矿 井下的生产信息，并且在煤矿发生安全事故时，如何快速有效地解救被困井下的 人员一直是科研人员致力要解决的问题。 z i g b e e 技术是一种新兴的短距离、低功耗、低速率、低成本、网络可靠性高 的无线通信技术，主要应用于自动控制和远程监控领域，同时利用r s s i 技术还 能将它应用于定位领域。 本论文讨论的是基于z i g b e e 技术的矿井安全生产智能监测预警系统，该系 统具有井下人员定位、井下环境状况监测、人员考勤、危险报警、遇险求救等一 系列的功能。 该智能监测预警系统为三级结构，分别为井下z i g b e e 无线传感网络，r s 4 8 5 总线数据传输主干道和上位机、g p r s 远程传输系统；井下无线传感网络由协调 器、参考节点、定位节点组成，能够实现井下人员定位、环境信息收集和求救信 号发出等功能；r s 4 8 5 总线数据传输主干道由传输干线、电平转换器组成，它是 z i g b e e 传感网络和上位机、远传系统数据传输的媒介；上位机配有系统管理软 件，该软件具有人机交互的功能，以图形化的方式让管理人员实时了解井下人员 的位置信息、求救信息、环境参数信息等，并在发生安全事故时能够对人员实行 报警；g p r s 远程传输系统将井下的生产信息通过g p r s 网络、i n t e m e t 传送到 远程的监控中心，为上级管理部门提供真实的矿井生产信息。 该智能管理系统可以实现煤矿企业管理的智能化、自动化和信息化，能够更 好的保障企业生产安全和人员生命安全，并带来相应的社会价值和经济价值。 关键词：z i g b e e 、r s s i 、人员定位、无线传感网络、r s 4 8 5 、实时监测、g p r s i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n dw a r n i n gs y s t e m f o rm i n i n gs a f e t yp r o d u c t i o n m a j o r ： n a m e ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m w a n gw e i j i a s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rh u a n gx i a o a b s tr a c t i nt r a d i t i o n a lm i n i n gi n d u s t r y , s e c u r i t yi s s u eh a sb e e nt h ef o c u so fp e o p l e h o w t og e tr e a l - t i m ei n f o r m a t i o na b o u tt h ep r o d u c t i o no fc o a lm i n ea n dw h e ni n d u s t r i a l a c c i d e n t sh a p p e n ，h o wt or e s c u et h ep e o p l et r a p p e du n d e r g r o u n dq u i c k l ya n d e f f e c t i v e l yh a v ea l w a y sb e e nt h ep r o b l e m st h a tt h es c i e n t i f i cr e s e a r c h e r sa r ef i g h t i n g t os o l v e z i g b e ei san e wg e n e r a t i o no fs h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y w h i c hh a sm a n yf e a t u r e ss u c ha sl o w p o w e r , l o wr a t e ，l o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t ya n ds o o n i ti sm a i n l yu s e di na u t o m a t i cc o n t r o la n dr e m o t em o n i t o r i n g t h r o u g hr s s lw e c a na l s ou s ez i g b e ef o rl o c a t i o na p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , w ed e s i g nam i n i n gi n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n dw a r n i n gs y s t e m b a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y t h i ss y s t e mh a sas e r i e so ff u n c t i o n ss u c ha s u n d e r g r o u n dp e r s o n n e ll o c a t i o n ，m i n i n ge n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，s t a f fa t t e n d a n c e m a n a g e m e n t ，r i s ka l a r ms i g n a ls e n d i n g ，h e l ps i g n a ls e n d i n ga n ds oo n t h em i n i n gi n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n dw a r n i n gs y s t e mc o n s i s to ft h r e ep a r t s w h i c ha r ez i g b e ew i r e l e s s l l s o rn e t w o r ku n d e r g r o u n d ，r s 4 8 5b u sd a t at r a n s m i s s i o n t r u n ka n dp ch o s t ，g p r sr e m o t et r a n s m i s s i o ns y s t e m t h eu n d e r g r o u n dw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kc o n s i s t so fc o o r d i n a t o r , r e f e r e n c en o d e ，a n dl o c a t i o nn o d e a n di ti st o r e a l i z et h ef u n c t i o no fp e o p l ep o s i t i o n i n g ，e n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n d l l i h e l ps i g n a l ss e n d i n g r s 4 8 5b u sd a t at r a n s m i s s i o nc o n s i s to ft r a n s m i s s i o nt r u n kl i n e s a n de l e c t r i cl e v e lc o n v e n e r i ti st h ed a t at r a n s m i s s i o nm e d i ao fz i g b e ew i r e l e s s n e t w o r ka n dp ch o s t ，g p r sr e m o t es y s t e m t h ep ch o s th a st h em a n a g e m e n t s o t t w a r eo fm i n ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n dw a r n i n gs y s t e m ，w h i c ha l l o wu st ov i e w r e a l - t i m el o c m i o ni n f o r m a t i o n ，a s k - f o r - h e l pi n f o r m a t i o na n dt h ee n v i r o n m e n t i n f o r m a t i o nu n d e r g r o u n d a n dt h r o u g ht h i sm a n a g e m e n ts o f t w a r e ，w ec a l la l s os e n d w a r n i n gs i g n a l st ot h ep e o p l eu n d e r g r o u n dw h e na c c i d e n t sh a p p e n g p r sr e m o t e t r a n s m i s s i o ns y s t e mc a ns e n dt h eu n d e r g r o u n dp r o d u c t i o ni n f o r m a t i o nt ot h er e m o t e m o n i t o r i n gc e n t e rt h r o u g hg p r sn e t w o r ka n di n t e m e t t h r o u g ht h i ss y s t e m ，w ec a na c h i e v ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t ，s a f ep r o d u c t i o n e f f e c t i v ea n df a s tr e s c u ea n ds oo n k e yw o r d s ：z i g b e e 、r s s i 、p e r s o n n e lp o s i t i o n i n g 、w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 、 r s 4 8 5 、r e a l t i m em o n i t o r i n g 、g p r s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王彳专任 日期易o 薛6 月f 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名至f 多任 日期：2 胪6 月f 日 导师签名： 日期z 矿加年易月2 日 第1 章绪论 1 1z i g b e e 技术介绍 随着科学技术的不断发展，通信技术深入到了人类生活的各个方面，人们提 出了在人自身附近几米范围内通信的需求，这样就出现了个人区域网络( p e r s o n a l a r e an e t w o r k ，简称p a n ) 和无线个人区域网络( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ， 简称w p a n ) 的概念。w p a n 网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米 范围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接入局域 网和互联网【l 】。在z i g b e e 、w i f i 、蓝牙、超宽带等众多能够组建w p a n 的无线通 信技术中，z i g b e e 的快速发展无疑成为了这当中的明星1 2 1 。 z i g b e e 技术是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术，它是一种介于无 线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接，它能够实现数千 个微小的传感器之间相互协调通信。z i g b e e 的基础是i e e e8 0 2 1 5 4 ，这是i e e e 无线个人区域网工作组的一项标准，被称为i e e e8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 技术标准【3 1 1 4 1 。 1 1 1 z i g b e e 技术的发展 早在2 0 0 0 年1 2 月，i e e e 就专门成立了无线个人局域网工作组，致力于定 义无线个人局域网的无线通信协议，并于2 0 0 3 年1 0 月发布了针对低成本、低功 耗、低速率应用的i e e e 8 0 2 15 4 标准【5 1 ，该标准涉及无线通信协议的物理层和 m a c 层。 z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月， 2 0 0 2 年下半年，英国i n v e n s y s 公司、日 本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣 布，它们将加盟“z i g b e e 联盟”，以研发名为“z i g b e e ”的下一代无线通信标准， 这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑【6 】。 到目前为止，除了i n v e n s y s 、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大 公司外，该联盟已有2 0 0 多家成员企业，并在迅速发展壮大。z i g b e e 涵盖了半 导体生产商、口服务提供商、消费类电子厂商及o e m 商等，包括像h o n e y w e l l 、 e a t o n 和i n v e n s y sm e t e r i n gs y s t e m s 等工业控制和家用自动化公司，还有像m a t t e l 中山人学硕? l 学位论文 之类的玩具公司【5 1 ，所有这些公司都参加了负责开发z i g b e e 物理层和媒体控制 层技术标准的i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组阴。 1 1 2 z i g b e e 技术的主要特性 相对于其他的无线通信技术而言，z i g b e e 技术的主要特性如下【3 】【4 】【8 】： ( 1 ) 低速率：z i g b e e 的三个频段中，其传输速率都不同，但都处于较低的 速率，2 4 g h z 频段为2 5 0 k b s ，9 1 5 m h z 频段为4 0 k b s ，8 6 8 m h z 频段只有2 0 k b s ； ( 2 ) 低功耗：这是z i g b e e 技术显著且使其处于优势地位的特点，z i g b e e 的 传输速率低、数据量小，发射功率仅为l m w ，在非工作模式时处于休眠状态， 功耗极低。 ( 3 ) 低成本：z i g b e e 协议栈相对于蓝牙、w i f i 要简单得多，降低了对通 信控制器的要求，并且z i g b e e 协议是免专利费的，因此进一步降低了软件的应 用费用。 ( 4 ) 短时延：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设 备时延为3 0 m s ，休眠激活的时延是1 5 m s ，活动设备信道接入的时延为1 5 m s 。 ( 5 ) 多种组网方式：z i g b e e 网络可以通过网络协调器组成星状、树状、网 状等多种组网方式。组网方式灵活，并可动态的让节点设备加入和退出网络。 ( 6 ) 可靠数据传输：z i g b e e 的m a c 层采用c s m a c a 算法，同时为需要 固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。 ( 7 ) 大容量网络：一个z i g b e e 协调器可容纳6 5 5 3 5 个设备，一个星型的 z i g b e e 网络最多可以容纳2 5 5 个从设备和一个主设备。 ( 8 ) 近距离通信：在不使用功率放大器的前提下，z i g b e e 节点的有效传输 范围一般为1 0 7 5 m ，能覆盖普通的家庭和办公场所。 ( 9 ) 网络自组织、自愈能力强。z i g b e e l 网络无需人工干预，网络节点能够 感知其他节点的存在，并确定关系，使其加入网络；z i g b e e 网络增加或者删除一 个节点或者节点位置发生变动等，网络都能够自我修复，无需人工干预，保证系 统能正常工作 9 1 。 ( 1 0 ) 安全：采用了三级安全模式，提供基于循环冗余校验( c r c ) 的数据 包完整性检验，支持鉴权和认证，采用了a e s 一1 2 8 的加密算法。 2 第1 南绪论 1 1 3 z i g b e e 技术的应用领域 z i g b e e 技术以其低速率、低功耗、可靠、安全等特点，在智能家居、环境 科学、医疗健康、商业应用、工业应用等领域有着广泛的应用前景【i o l 。主要应用 领域介绍如下【1 1 1 3 】： ( 1 ) 智能家居：z i g b e e 技术可以应用于家庭的照明、温湿度控制等。z i g b e e 模块可以安装于灯泡、遥控器、玩具、门禁系统、空调系统和其它家电产品中， 并实现智能控制。 ( 2 ) 环境科学：随着人们对环境问题的关注程度越来越高，需要采集的数 据也越来越多，z i g b e e 技术为获取各种数据提供了便利。比如，z i g b e e 技术可 以用于监测海洋、大气和土壤的成分等。 ( 3 ) 医疗健康：借助z i g b e e 网络，医院可以实时监测病人的血压、体温和 心跳速度等信息，减少医生查房的工作负担，帮助医生快速做出反应，特别是对 重病和病危患者的监护和治疗，利用定位技术还能实时知道病人的具体位置。 ( 4 ) i 业控制：通过z i g b e e 可以实现厂房温湿度监控和照明系统感侧，及 时得到及其运转状况的信息和进行生产线流程控制，用z i g b e e 网络取代有线控 制系统，能大幅度降低工业生产成本【引。 ( 5 ) 智能交通：z i g b e e 无线网络能够比g p s 系统覆盖更全面，并能够得到 比g p s 更多的信息，如限速、道路是单行线还是双行线等，各条街的交通情况 和事故信息等。 1 2g p r s 技术简介 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 即通用无线分组业务，它是介于2 g 和3 g 之间的一种技术，通常称为2 5 g 。相对于原来g s m 拨号方式的电路交换 数据传送方式，g p r s 属于分组交换技术，它能够提供端到端、广域的无线i p 连接，并且具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换” 等优点【1 4 1 。 1 2 1g p r s 的技术特点 g p r s 技术可以让我们在任何时间、任何地点都能快速方便地实现连接，并 中山人学硕： = 学位论文 且费用又很合理。它有如下的一些特剧1 5 】： ( 1 ) 接入速度快：g p r s 接入等待时间短，平均接入时间不超过两秒，提 供了与现有数据网的无缝连接； ( 2 ) 高速数据传输速率，自适应能力强：能够提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据 传输速率速度，并且可以稳定地传送大容量高质量音频和视频文件； ( 3 ) 收费更为合理：即根据传输数据量来计费，可实现用户“永远在线 ， 当无数据传输时，用户在线也不会占用信道，真正体现了多用多付费的原则。 ( 4 ) 无线资源利用率高：新的无线资源管理技术，使得用户能够在有数据 发送时占用信道，数据发送完之后释放信道，供其他用户使用，这大大提高了无 线资源的利用率。 ( 5 ) 良好的移动性：采用i p 作为核心网技术，无长途概念，使用一种隧道 协议作为s g s n 和g g s n 的通信接口，保证了用户i p 地址和网络i p 地址的隔离， 实现i p 的“可移动性 。 1 2 2g p r s 技术的应用 g p r s 特别适用于间断的、突发性的或者频繁的、少量的数据传输，而且也 适用于偶尔的大数据量的传输【1 6 】。具体来说，g p r s 无线数据传输系统应用领域 有如下几个方面： ( 1 ) 移动上网：g p r s 移动终端可实现诸如收发e m a i l 、网页浏览和图像发 送等功能1 1 7 1 。 ( 2 ) 车辆调度：通过g p s 的定位功能和g p r s 的远程数据传输功能可以实现 车辆调度，从而对车辆进行有效地调度【1 引。 ( 3 ) 远程智能监控：g p r s 可以应用于工业遥信、遥测和遥控；电表、水表 等数据的自动传输；电信行业无人值守机房监控和远程维护；煤气管道、闸门、 加压站的监控；供热系统实时监控与维护；公安系统( 查询人口信息、在逃犯信 息等) 、市政系统( 路灯夜景照明系统管理) ；环境参数监测，如水文监测、气 象数据采集与传输等【1 9 1 。 基于g p r s 数据远程传输的各种优势，我们可以开发多种前景极其乐观的各 类应用，g p r s 网络经过通信企业的多年建设，覆盖范围不断扩大，并且已成为 4 第i 章绪论 成熟、稳定、可靠的通信网络，为s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ，数据采集与监视控制系统) 系统提供快速、廉价最佳的数据传输解决 方案1 2 0 1 。本论文将结合z i g b e e 和g p r s 在智能监控方面的优势，将两者应用于矿 井智能监测预警系统中。 1 3论文的研究背景 能源是经济发展、社会进步的主要物质基础，随着我国国民经济的增长，各 种资源的消耗加大。煤炭是我国的主要能源，分别占一次能源生产和消费量的 7 6 和6 9 ，在经济全球化的今天它发挥的作用显得尤为重要【2 。作为我国的支 柱产业，安全成为制约我国煤矿生产的首要问题。矿区生产作业由于瓦斯、煤尘、 地震等原因，决定了矿区生产属于高危行业，因此对矿区有较高的生产安全要求。 传统的矿业安全管理方式以单纯的管理人为主，缺乏定量指标，准确性差，越来 越不适应现代化生产需要。由于技术及管理等各方面原因，我国的矿难事故时有 发生。 据统计，2 0 0 8 年我过共组织查处煤矿事故1 9 0 1 起，全国煤矿共发生重特大 事故3 8 起，死亡7 0 7 人，同比起数增加1 0 起、上升3 5 7 ，死亡人数增加1 3 4 人、上升2 3 4 ；2 0 0 9 年上半年全国煤矿发生4 起一次死亡3 0 人以上的特别重 大事故，死亡3 6 6 人，同比增加l 起、2 6 0 人；发生2 0 起一次死亡1 0 人至2 9 人的特大事故，死亡3 3 8 人，同比增加5 起、1 1 6 人【2 2 1 。国家能源局煤炭司司长 方君实在0 9 年9 月4 日表示，我国煤炭产量占全世界煤炭总产量的3 7 左右， 但事故死亡人数却占全世界煤矿死亡总人数的7 0 左右。与国际先进采煤国家 相比，我国煤矿的瓦斯事故控制水平和抽采利用水平差距仍然较大，百万吨死亡 率是美国等先进国家的3 0 - - 一5 0 倍【2 3 1 。矿井安全生产事故的频频发生，井下复杂 地形给矿工撤离和事故抢救带来了极大困难，给人们的生命安全带来了巨大威 胁，给企业和国家造成了巨大损失，不仅阻碍了经济建设，还影响了社会稳定。 在煤矿生产严峻的安全形势和国家的重拳出击的政策下，如何实现煤矿安全 监控的智能化、信息化逐渐成为煤矿企业关心的问题。为了有效地监控和管理煤 矿的安全状态，采取科学、系统、完整的措施改变我国煤矿安全现状，加强矿井 安全生产监控技术及其方法的研究，是目前煤炭工业需要解决的迫切问题。建立 中山人学硕十学位论文 以灾害预防、事故营救、电子信息化管理为主要目标的信息智能化煤矿管理体系 势在必行。 1 3 1 国外研究状况 矿井安全检测监控系统是从煤矿生产系统的遥控、遥信和遥测技术中发展起 来的。从6 0 年代初期，国外就已经开始对环境参数进行了研究。7 0 年代由于小 型和微型计算机的出现，加上新的数据传输和处理技术在煤矿监测系统中的应 用，使各国的监测系统取得很大的进展，已逐渐从单独的生产监测安全监控转变 为一个综合系统。英国现已拥有适应煤矿各种生产、安全环境监测和控制的一套 标准的地面硬件和软件，设立矿山安全监查机构，对政府负责；同时加大对新技 术和新设备的推广使用，加强各种层次的安全培训，2 0 世纪9 0 年代以来，煤矿 事故已经很少发生。2 0 世纪9 0 年代后，美国煤矿采用高新技术，使煤炭产量大 幅度增长，劳动生产率成倍提高，安全状况大为改善。日本为了进一步解决煤矿 安全生产自控问题，最近几年正在开发新的监控技术和智能监控仪器设备及专家 监控系统【2 4 】。这些国家的矿井监测系统技术水平虽然各不相同，但在预防恶性爆 炸事故中，都发挥了极其重要的作用。 1 3 2 国内发展状况 我国监测监控技术应用较晚，8 0 年代初，从波兰、法国、英国和美国等引 进了一批安全监控系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结 合我国煤矿的实际情况，先后研制出k j 2 、k j 4 、k j 8 、k 1 1 0 、k j l 3 、k j l 9 、k j 3 8 、 k j 6 6 、k j 7 5 、k j 8 0 、9 2 等监控系统，在我国煤矿已大量使用。由于当时相当 一部分监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务 跟不上等原因，或者已淘汰、或者停产。因此造成相当一部分矿井无法继续正常 使用已装备的系统【2 5 1 。 随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内 各主要科研单位和生产厂家又相继推出了k j 9 0 、k j 9 5 、k j l 0 1 、k j f 2 0 0 0 、和 k j g 2 0 0 0 等监控系统，以及m s n m 、w e b g i s 等煤矿安全综合化和数字化网络 监测管理系统【2 5 1 。 6 第1 章绪论 上面所列举的煤矿安全监测管理系统基本都是采用r f i d ( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i e a t i o n 无线射频) 技术1 2 6 1 1 2 7 1 ，通过在矿井进口处及一些关键通道口使用射 频卡读取的方法实现对下井人员进行登记记录和人员查找。 但是使用r f i d 无线通信技术方法也存在着一些问题【2 8 】： ( 1 ) 射频卡读写系统的读写距离比较有限，所以一般只是被用于上下矿井人 员的考勤纪录。 ( 2 ) 射频卡读写系统使用的频率一般来说是比较低的，所以其抗扰能力不足。 ( 3 ) 定位系统读卡速度受到限制，对多人同时快速通过读卡系统的情况还没 有充分进行考虑。 1 4 基于z i g b e e 技术矿井安全生产智能监测预警系统 无源r f i d 传输距离太短，一般只适用于考勤管理，而和有源r f i d 系统相比， z i g b e e 无线传感网络系统具有低成本、安全可靠、低功耗、低数据速率等多种优 势，基于z i g b e e 技术的这些优势，本文采用z i g b e e 技术作为矿井智能监测管理系 统的无线通信技术。 本论文采用t z i g b e e 无线传感网络和r s 4 8 5 总线有线网络相结合的方式，该 系统为三级结构，如图1 1 所示；第一级结构为z i g b e e 无线传感器网络，第二级 结构为r s 4 8 5 数据传输骨干网，第三级结构为上位机和g p r s 远程传输系统，上 位机通过r s 4 8 5 总线接收z i g b e e 传感网络的信息，实时显示井下人员的位置和环 境信息，利用g p r s 远程传输技术可以实现远程监控功能。 图l l 井下人员定位系统结构示意图 7 中山人学硕士学位论文 1 4 1 论文研究的意义 矿井智能监测管理系统通过z i g b e e 技术、数据分析技术、传感器技术及有 线通信技术的有机结合，实现对矿区作业人员的数量、位置，矿区作业环境的安 全指标等相关信息实时监测，它具有如下几方面的意义。 ( 1 ) 在日常的生产中，该系统能够用于考勤管理，相对于其它考勤管理方 法，这样的方式更为科学，更能提高生产效率。 ( 2 ) 在安全事故发生时，该系统能够为救援工作的开展提供人员位置、井 下环境参数等可靠的信息支持，帮助救援人员更好更快地解救井下被困人员。 ( 3 ) 保存历史数据，便于需要时进行查询，并可以通过对历史数据的分析， 实现和完善预警方案。 ( 4 ) 上级监控部门可通过远程系统对个矿区实行实时监管，通过这种管理 方式可以杜绝事故的瞒报、漏报现象。 该矿井智能监测管理系统能够满足采矿、隧道作业安全性的需求和技术升级 的需要，并实现生产管理的自动化、信息化、智能化和网络化，带来相应的社会 价值和经济价值。 1 4 2 论文的创新点 本课题除了吸收了实验室以往的理论和应用的研究成果，还具有自己独特的 创新点： ( 1 ) 高效可靠的z i g b e e 无线网络一r s 4 8 5 总线有线网络结合的通信方式，综 合了有线通信的高性能和z i g b e e 无线通信低成本，低功耗，使用灵活的优点。 将z i g b e e 技术应用于矿井安全监控及管理，对促进我国z i g b e e 技术和其它无线 传感器网络技术在各行业的应用有积极示范作用。 ( 2 ) 在充分考虑矿井巷道结构的基础上，提出了一维空间的定位算法，该算 法将人员定位所需考虑的环境因素减少为一个，在矿井环境非常复杂的情况下更 能保障定位结果的准确性，最后通过软件进行实现。 ( 3 ) 研发了三种节点设备，参考节点设备、定位节点设备和协调器设备。各 个节点设备采用模块化设计的策略，因此可灵活改变系统的配置。系统的扩容、 升级、维护都很容易实现。大部分设备可移植，可重复使用，降低了设备成本和 3 第l 章绪论 人员成本。为可持续发展和建设节约型社会开拓了新的思路。 ( 4 ) 将g p r s 远程传输技术应用于矿区智能监控管理中，上级监控管理部门 可通过该远程系统对各个矿区实行实时监管，从而可以杜绝事故瞒报、漏报等现 象地发生。 ( 5 ) 开发强大的可视化矿区地理信息系统管理平台，该平台包含矿井电子地 图和数据库，集成了实时定位的人员安全管理、环境参数监测及遇险报警及求救 等功能，使矿井管理实现智能化、信息化、网络化、无线化，填补了矿业安全生 产和信息管理系统领域的空白。 1 4 3 论文的内容安排 本论文分为六章，以下是各章的具体情况： 第1 章即本章，介绍了z i g b e e 技术的概况，g p r s 技术的概况，分析了矿 井智能管理的国内外研究现状，提出了基于z i g b e e 技术的矿区安全生产智能监 测与预警系统，并总结了论文选题的意义和创新点。 第2 章介绍了矿区智能监测预警系统的硬件开发平台。 第3 章介绍了z i g b e e 协议栈各层的功能及系统开发的软件平台。 第4 章介绍了常见的定位算法，在此基础上提出系统采用的定位算法，并 过实际测量法和曲线拟合法确定环境参数。 第5 章介绍了z i g b e e 矿区智能监测与预警系统的三级结构及每一级结构 的软硬件实现方案。 第6 章系统各个部分的测试和系统整体测试，得出测试结果。 第7 章对论文工作进行总结，提出有待进一步研究的问题。 9 第2 章系统硬件开发平台 本项目主要采用成都无线龙通讯科技有限公司生产的c 5 1 r f c c 2 4 3 0 系列 的开发系统，该系统最核心的部件为以8 0 5 1 为内核的c c 2 4 3 0 无线片上系统， 系统的硬件开发平台包括： ( 1 ) 以c c 2 4 3 0 芯片为主体的2 4 g h zz i g b e e 高频无线模块，项目中用到 了成都无线龙公司生产的两种c c 2 4 3 0z i g b e e 模块，一种为通信距离为7 0 米的 模块，另一种为通信距离为3 0 0 米的模块： ( 2 ) 具有u s b 接口的c c 2 4 3 0 无线单片机实时在线仿真器； ( 3 ) 配套的u s b 、电源线、电池盒及其他配置器件； ( 4 ) g p r sd t u 远传模块。 2 1c c 2 4 3 0 简介 c c 2 4 3 0 是德州仪器( t i ) 推出的用来实现嵌入式z i g b e e 应用的片上系统。 它硬件支持2 4 g h zi e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议，由于它结合一个高性能2 4 g h z d s s s ( 直接序列扩频) 射频收发器核心和一颗工业级小巧且高效的8 0 5 1 控制器芯 片，使它具有了优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性【8 l 。 2 1 1c c 2 4 3 0 芯片的主要特点 c c 2 4 3 0 芯片延用了c c 2 4 2 0 芯片的架构，并且在单个芯片上整合了z i g b e e 射频( r f ) 前端、内存和微控制器。图2 - 1 为c c 2 4 3 0 的内部结构图，由图可以看 到，它使用1 个8 位m c u ( 8 0 5 1 ) ，具有1 2 8 k b 可编程闪存和8 k b 的r a m ， 它还包含有模数转换器( a d c ) 、4 个定时器( t i m e r ) 、a e s l 2 8 协同处理器、看 门狗定时器( w a t c h d o gt i m e r ) 、3 2k h z 晶振的体眠模式定时器、掉电检测电路 ( b r o w no u td e t e c t i o n ) ，以及2 1 个可编程i o 引脚1 4 1 。 c c 2 4 3 0 芯片在接收和发射模式下，电流损耗分别低于2 7 m a 或2 5 m a ，它 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非 常长的应用【2 8 1 。 中m 大学颂i ：学位论空 焉 烹烹1 烹 一 圈墨隧：搿 盔圈 i s e a s l n l o w c o p j a r b i t r a t o r 8 h 0 s 卧h i r qh c t e s ：一 m m s t r p f 眦e s s o r 删m oa 嘲 c e u s 盯2 c c 2 4 3 0 主要特点如下1 2 9 l 翻2 - lc c ? a 3 0 的结构圈 ( 1 )具备高性能和低功耗的8 0 5 1 微控制器核： ( 2 ) 集成了符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准的2 4 g h z 的r f 无线电收发机： ( 3 ) 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性： ( 4 )休眠模式时仅有0 9 u a 的流耗，外部的中断或r t c 都能唤醒系统 ( 5 ) 硬件支持c s m a c a 功能； ( 6 )具有较宽的电压范围( 2o 36 、，) ； ( 7 )具有数字化的r s s i l q l 支持和强大的d m a 功能： ( 8 ) 电池监测和温度感测功能； ( 9 )集成了1 4 位模数转换的a d c ； 第2 章系统硬件开发平台 ( 1 0 )集成硬件a e s 安全协处理器； ( 1 1 )带有2 个的u s a r t 、1 个符合i e e e8 0 2 1 5 4 规范的m a c 定时器、1 个 常规的1 6 位定时器和2 个8 位定时器。 2 1 2c c 2 4 3 0 芯片的封装和引脚功能 c c 2 4 3 0 芯片采用7m m x 7 m mq l p 封装，共有4 8 个引脚【2 9 1 ，图2 2 为c c 2 4 3 0 的引脚图，它的全部引脚可分为i o 端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。 图2 - 2c c 2 4 3 0 引脚封装图 c c 2 4 3 0 具有2 1 个可编程的i o 口引脚，p o 、p l 口是完全的8 位口，p 2 口 只有5 个可使用的位。通过软件设定某些s f r 寄存器的位和字节，便可使这些 引脚作为通常的i o 口或作为连接a d c 、计时器或u s a r t 部件的外围设备i o 口使用【2 9 1 。 i o 口具有如下关键特性【2 9 】： ( 1 ) 可设为通用的f o 口，也可设置为外围i o 口使用； ( 2 ) 有上拉和下拉的能力； ( 3 ) 除了p l _ 0 、p 1 j 具有2 0m a 的驱动能力外，其余i o 口都只有4i l l a 的 驱动能力。 ( 4 ) 全部2 1 个数字i o 口引脚都有响应外部的中断能力，外部设备可对i 0 口引脚产生中断信号，且外部的中断事件也可被用来唤醒休眠模式。 中m 人学坝i 学位论女 2 1 3 芯片典型应用电路 c c 2 4 3 0 芯片内部结构很完善，因此它只需要很少的外田部件配合就能实现 信号的收发功能，图2 _ 3 为c c 2 4 3 0 一种典型应用电路。 幽2 - 3c c 2 4 3 0 典型席州l b 路 电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的 非平衡变压器由电容c 3 4 l 和电感l 3 4 i 、l 3 2 l 、l 3 3 l 以及一个p c b 微波传输 线组成，整个结构满足了r f 输入输出匹配电阻( 5 0 踊的要求。内部的t ，r 交换 电路完成l n a 和p a 之间的交换。r 2 2 1 和1 1 2 6 1 为偏置电阻，电阻r 2 2 1 是用束 为3 2 m h z 的晶振提供合适的工作电流。1 个3 2m h z 的石英谐振器( x t a l l ) 和2 个电容构成一个3 2m h z 的晶振电路。用1 个3 27 6 8k h z 的石英谐振器 ( x t a l 2 ) 和2 个电容构成一个3 27 6 8k h z 的晶振电路。电压调节器为所有需 要1 8 v 电压的引脚和内部电源供电，c 2 4 1 和c 4 2 1 电容为去耦合电容，_ | = 目柬电 源滤波，以提高芯片工作的稳定性【3 0 j 。 第2 章系统础件开发牛舟 2 2系统开发套件 2 2 1c c 2 4 3 0 无线单片机实时在线仿真器 在线仿真是该z i g b e e 开发系统的核心技术之一，实物图如图2 - 4 所示， c 5 1 r f c c 2 4 3 0 一z d s 仿真器包括电源指示灯，个复位按键，一个u s b 接口及 一根仿真线。 圈2 4z i g e 钟在线仿真器 图2 - 5 在线仿真连接图 墨冒囵 中m 大学i 学位论止 实时在线仿真器通过u s i 接口和计算机连接，支持在线下载、调试、仿真 和断点调试，可以实现单步、变量观察等在线调试d e b u g 功能，它能够提供高达 1 2 9 k b s 的下载速度1 2 i 。图2 - 5 为仿真器和z i g l e e 模块相连接。 2 2 2c 5 1 r f 协议分析仪 c 5 1 r f 协议分析仪可以全面解码、简化、了解复杂的z i g b e e 协议栈并可加 速程序的调试，它就相当于一台24 g 频谱分析仪、一台高档的逻辑分析仪和数 字示波器：c 5 1 r f 协议分析仪具有强大的数据分析功能，能够抓取空中符台 i e e e 8 0 2 1 54 的数据包并对其帧结构进行剖析【3 i ，图2 - 6 为协议分析仪的丌机软 件。 幽2 - 6 协议分析仪软什的开机域面 图2 - 7 分析仪分析z i g b 啤数据包界面 1 6 第2 章系统碗件* 裳，p 音 图27 为z i g b e e 协议分析仪的软件界面，该界面能够很好的展现空中符合 i e e e8 0 21 54 数据包的帧结构，其展示的内容包括数据帧每层结构的帧头、 帧尾和数据内容，除此之外，它还能显示出错的数据包以及信号的灵敏度：因此， 协议分析仪对于z i g b e e 系统的设计开友者具有非常重要的意义，它能够完全显 示z i g b e e 网络节点发送的所有数据包的情况，方便系统的调试。 2 2 3g p r s 模块介绍 g p r s 模块采用的是广州致远电子有限公司生产的z w g - 2 3 a g p r sd t u d t u 的英文全称为d a t a t r a n s m i tu n i t ，g p r s 无线数传殴各也称“g p r sd t u ”。 d 1 u 为用户的串口设备与远程的电脑之间建立一个数据传输通道i ”i 。 图2 8 为z w g 2 3 a 产品的外形图，我们可以看到，模块包括s i m 卡座、l e d 指示灯、棒状天线、电源接口、r s 2 3 2 接口。 图2 9 为z w g 产品的内部结构，我们可以看到，模块内部是由g p r s 模块、 c p u 、电源管理、设备安全监控、s i m 卡组成的。 圈2 - 8z w g - 2 3 a 产品外形 中山人学硕i ：学位论文 t 嚣。? j 二 暇 设备安全监控 i 。，翻 丫i l 镕：日z 日e g g 目2 _ 丽艮；习一 噬隧拢纥韬_ l i “一一 豳扁斗