（通信与信息系统专业论文）煤矿井下安全监测与人员定位系统的应用研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 煤矿安全监测技术是煤矿安全生产的重要保障。鉴于现有安全监测设备采 用技术的局限性以及设备工作环境的特殊性，需要进一步提高该类设备的性 能。在深入研究了无线传感器网络的基础上，结合参考当前煤矿安全监测设 备的各项技术指标，设计的基于无线传感器网络的煤矿安全监测和人员定位 系统将为煤矿事故避免及矿井员工安全提供更高的保障。 通过深入研究国内外矿井安全监测技术，并对我国煤矿安全监测设备的现 状进行了分析，提出了基于无线传感器网络的煤矿安全监测和人员定位系统 的总体方案。该方案阐述了系统的总体结构、各部分的功能以及性能指标。 完整的安全监测和人员定位系统的总体方案的设计，为系统各个部分的具体 开发提供依据；为了适应煤矿井下工作环境，在现有无线传感器网络结点的 基础上，设计了采用c c 2 4 2 0 芯片为射频通信模块的无线传感器网络结点。根 据实际环境的需求，结点硬件具有瓦斯、温度传感器电路，并编写了人员定 位，数据采集、数据处理和数据收发等模块软件；通过对煤矿井下网络拓扑 方式及连通性的研究分析，并参考无线传感器网络经典的路由协议，设计了 基于距离有效性的层次路由协议。协议以结点间的最小距离为条件建立路由， 层次化的设计思想更加适应网络拓扑结构的变化。针对网络通信可靠性的要 求，设计了多路径作为保障。通过o m n e t + + 仿真测试，该协议在路由建立，维 护和数据传输跳数等方面具有良好性能；针对矿井员工定位的需求，设计了 基于r s s i 的协同定位算法。该定位算法以结点内的地理坐标为依据，按照结 点主次，采用极大似然估计法对结点位置的坐标进行计算，获得定位坐标。 仿真结果表明定位精度达到预期目标。 在煤矿井下安全监测与人员定位系统设计中，提出的基于距离有效性的层 次路由协议与基于r s s i 的协同定位算法，解决了将无线传感器网络应用于矿 井监测的网络构架和定位精度问题；实现了以无线传感器网络为基础的煤矿 安全监测和矿井人员定位系统。 关键词：无线传感器网络，路由，煤矿监测，人员定位 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tg u a r a n t e ef o rt h es a f e t yo fc o a l p r o d u c t i o n w h e r e a st h et e c h n i c a ll i m i t a t i o n so fu s i n ge x i s t i n gs e c u r i t ym o n i t o r i n ge q u i p m e n t s a n dt h es p e c i a le n v i r o n m e n to fe q u i p m e n t sw o r k i n g ，t h ep e r f o r m a n c eo fs u c he q u i p m e n t sn e e d t 0b ef u r t h e ri m p r o v e d b a s e do ns m d y i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sd e e p l ya n dc o m b i n gt h e r e f e r e n c eo fv a r i o u st e c h n i c a ls t a n d a r d so fm i n es a f e t ym o n i t o r i n ge q u i p m e n t , s oc o a lm i n e s a f e t ym o n i t o r i n ga n dp e r s o nl o c a l i z a t i o ns y s t e mw h i c hb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s d e s i g n e dw i l la v o i dc o a lm i n ea c c i d e n t sa n dm a k i n gm i n es t a f f m o r es a f e t y s t u d 姐n gt h em i n es a f e t ym o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a dd e e p l ya n da n a l y s i st h e s t a t u so fc h i n a sc o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n ge q u i p m e n t , t h ep r o g r a mo fc o a lm i n es a f e t y m o n i t o r i n ga n dt h ep e r s o nl o c a l i z a t i o ns y s t e mw h i c hb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sw a s d e s i g n e d t h ep r o g r a md e s c r i b e dt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h ef u n c t i o n so ft h ev a r i o u sp a r t s ，a n d p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s t h ep r o g r a mo fs a f e t ym o n i t o r i n ga n dp e r s o nl o c a l i z a t i o ns y s t e mw 砌d g u i d et h ed e v e l o p m e n tt oa l lp a r t so ft h es y s t e m ；t om e e tt h ec o a lm i n ew o r k i n ge n v i r o n m e n t , b a s e do nt h ee x i s t i n gn o d eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，t h en o d eu s e dc c 2 4 2 0f o rr f c o m m u n i c a t i o n sm o d u l e a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d so ft h ee n v i r o n m e n t , n o d e sh a r d w a r e w a sw i t ht h ee l e c t r o c i r c u i to fg a s 、t e m p e r a t u r es e n s o r s w h i l et h em o d u l eo f p e r s o nl o c a l i z a t i o n ， d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga n dd a t at r a n s c e i v e rw e r ed e s i g n e d ；b yd o i n gr e s e a r c h e sa n d a n a l y s i so nt h en e t w o r kt o p o l o g ya n dc o n n e c t i v i t yi nm i n e ，a n dl e a r n e dt h ec l a s s i cr o u t i n g p r o t o c o lo f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，t h el a y e r e dr o u t i n gp r o t o c o lw h i c hb a s e do ne f f e c t i v e n e s s o fd i s t a n c ew a sd e s i g n e d t h ep r o t o c o le s t a b l i s h e st h er o u t i n gb yt h em i n i m u md i s t a n c eb e t w e e n t h en o d e s ，t h ei d e a so fl a y e r e dp r o t o c o lw o u l db em o r eu s e f u li nt h en e t w o r kt o p o l o g y c o n s i d e r e dt h er e l i a b i l i t yo fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，t h ei d e ao fm u l t i p a t hw a sf o u n d b y o m n e t + +s i m u l a t i o nt e s t ，t h ep r o t o c o li n r o u t i n ge s t a b l i s h m e n t ， m a i n t e n a n c ea n dd a t a t r a n s m i s s i o nh o p se t c h a v eg o o dp e r f o r m a n c e t om e e tt h en e e do fm i n es t a f fl o c a l i z a t i o n , t h e a l g o r i t h mo fs y n e r g i cl o c a l i z a t i o ni sb a s e do nr s s i t h el o c a t i o na l g o r i t h mu s e dt h e g e o g r a p h i c a lc o o r d i n a t e sw i t h i nt h en o d e s ，i na c c o r d a n c ew i t hp r i m a r ya n ds e c o n d a r yn o d e s ， u s i n gm a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o nm e t h o df o rc a l c u l a t i o nt h ep o s i t i o no fn o d e s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h el o c a l i z a t i o na c c u r a c yi sd e s i r e da sb e f o r e i nt h ed e s i g no fc o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n ga n dp e r s o nl o c a l i z a t i o ns y s t e m , t h el a y e r e d r o u t i n gp r o t o c o lb a s e do ne f f e c t i v e n e s so fd i s t a n c ea n dt h ea l g o r i t h mo fs y n e r g i cl o c a l i z a t i o n b a s e do nr s s lw e r ed e s i g n e d t h et w os o l v e dt h ep r o b l e m so ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k su s e d i nt h em i n em o n i t o r i n g ；t h es y s t e mo fc o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n ga n dp e r s o nl o c a l i z a t i o n s y s t e mw h i c hi sb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sw a sa c h i e v e d k e y w o r d s ：w s n ，m u t i n gc o a lm i n em o n i t o r i n gp e r s o nl o c a l i z a t i o n i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密囱 学位论文作者签名： 2 0 0 7 年? 2 胎日 指导教师签名： 2 0 0 7 年f 碉伯 降吃 独创性声明 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以外，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。对本文的研究做出重要贡 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： 彩镁 日期：2 0 0 7 年7 2 月 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 煤炭是我国主要能源。煤炭资源作为我国国民经济发展的支柱，是维持我国经济持续 高速发展的重要保障，煤炭资源的开采即采矿业一直以来都是我国重要的基础产业。随着 我国国民经济的快速发展，近两年煤炭产量激增。由于我国煤炭工业技术基础十分薄弱， 煤炭开采以井工为主，煤层条件复杂、高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层多，致使煤矿生产中安 全问题复杂化，而且，随着采掘深度的加大，高产高效矿井的发展，煤矿又面临着许多新 的安全技术问题。安全问题是长期困扰我国煤矿生产的主要难题，是制约我国煤矿生产的 主要障碍。近年，我国平均每7 4 天发生一起特大煤矿事故远远高出世界平均水平，我国 采煤效率仅为美国的2 2 ，南非的8 1 。同时，我国煤矿事故死亡人数是世界主要产煤 国煤矿死亡总人数的4 倍以上，百万吨死亡率是美国的1 6 0 倍，是发展中国家印度的1 0 倍i l j 。造成矿难的原因是复杂的和多方面的，有历史的深层次原因，也有当前煤炭供求关 系的影响。几乎所有的矿难都是多个漏洞的叠加，理性分析，其中最主要原因的一项就是 技术落后。在实现效益递增的同时，没有对生产技术的更新换代进行投入。我国长期以来 以煤炭作为主要能源，很多煤矿已经过度开采，这类煤矿最容易发生塌方：再加上我国 大部分煤矿所采用的多是老技术，不符合现代化技术标准，发生意外的机会自然更多。 当前造成事故频繁发生的原因及存在问题，主要有以下几点： 1 煤矿安全生产基本条件达不到规定要求。由于办矿起点标准低，大多数小煤矿不具 备安全生产基本条件。以陕西为例2 0 0 1 年陕西省整顿后验收合格的7 9 8 处乡镇煤矿，1 1 0 月份经安全程度评估的6 0 1 个煤矿中，符合国家煤矿安全生产基本条件规定的a 类矿 井只有l o 个，b 类矿井1 9 6 个，c 类矿井3 4 5 个，还有5 0 个d 类矿井【2 1 。先天不足，为 事故发生埋下了隐患。 2 煤矿安全投入不足，安全欠账较多。我国煤炭企业管理大多处于被动的“事故追究 型 ，国有煤矿安全生产投入明显不足，目前我国国有煤矿安全生产欠账达4 0 多亿元， 安全生产基础薄弱，安全防范能力下降，事故隐患普遍存在。大量非公有制经济成分的小 煤矿不具备基本的安全生产条件。这是致使煤矿事故频发多发不可回避的客观事实。 3 煤矿技术力量不足。前几年，由于煤炭经济效益下滑，煤矿企业流失技术人才严重， 整体技术力量下降，面临技术岗位后继无人的困境。乡镇煤矿技术力量更为缺乏，煤矿学 过煤炭专业，懂得煤炭生产的技术人员屈指可数。 4 现场管理水平下滑。煤矿生产受自然灾害影响较大，加强安全管理是避免煤矿事故 的重中之重。特别是加强现场管理是避免煤矿事故的主要环节。煤矿由于安全投入不到位， 安全培训不到位，现场管理不到位，安全质量标准化滑波，不仅零星事故不断，而且极易 引发重大事故。安全管理水平下滑主要表现在：管理手段落后，没有引用先进的监测监测 手段；管理方式陈旧，甚至以包带管。特别是乡镇煤矿要产量、要效益的比重往往大于要 安全。 江苏大学硕士学位论文 从世界发达国家实现安全生产事故低发的成功经验看，专业化的技术支撑机构在控制 重大灾害中发挥了至关重要的作用。美国、英国、日本、法国、俄罗斯、德国等均设有国 家级的技术支撑机构。例如，美国的矿山安全与健康监察局( m s h a ) 下设有匹兹堡安全与 健康技术中心、国家职业安全与健康研究院和认证中心等科技支撑机构【3 】。同时，新术的 推广和采用能大幅度降低煤矿安全事故，这已被美国煤矿业近3 0 年来的实践所证明。美 国矿业协会认为，新技术在安全方面的贡献主要有几个方面：信息化技术的广泛采用，增 强了煤矿开采的计划性和对安全隐患的预见性，计算机模拟、虚拟现实等新技术，可以大 幅度减少煤矿挖掘中的意外险情，也可以帮助制定救险预案；二是机械化和自动化采掘， 提高了工作效率，减少了下井人员数量，也就减少了容易遇险的人群，实际上美国煤矿 工人的总数已经下降到不足十万，他们中绝大多数也是操作设备的技术工人；三是推广安 全性较高的长墙法，取代传统形式的坑道采掘：四是推广新型通风设备、坑道加固材料、 电器设备，从而提高了安全指标，而政府主要是通过技术认证这一方式来批准煤矿专用设 备的生产和使用。 国外煤矿监测技术是2 0 世纪6 0 年代开始发展起来的，至今已有四代产品，基本上5 1 0 年更新一代产品【引。从技术特性来看，主要是从信息传输方式的进步来划分监测系统发展 阶段的。美国以其拥有的雄厚高新技术优势，率先把计算机技术、大规模集成电路技术、 数据通信技术等现代高新科技用于煤矿监测系统，使煤矿监测技术跻身于高科技之列。这 就形成了以分布式微处理机为基础的第四代煤矿监测系统。其中有代表性的是美国m s a 公司的d a n 6 4 0 0 系统。 由于现代信号检测技术、信号传输技术、计算机信息处理技术、计算机控制技术及计 算机网络技术不断应用到监测监控技术中，我国矿区监测监控技术也从人工监测发展到了 自动监测与监控，监测监控系统从环境安全监控发展到了工况监控和生产监控，并逐步形 成了矿区监测监控网络，为矿区生产和管理的现代化提供了良好的条件【5 】。国外六、七十 年代发展起来的煤矿监控技术，近年来在我国有了飞速的发展，各种煤矿监测系统及其配 套产品应运而生。为了适应监测监控系统发展的需求，我国继续研制开发出了一批具有世 界先进水平的监控系统。如北京仙岛新技术研究所和抚顺安全仪器厂联合开发的1 4 3 6 6 系 统【6 j 、煤科院重庆分院的k j 9 0 系统、上海嘉利矿山电子公司的k j 9 2 系统、煤科总院常州 自动化研究所的k j 9 5 系统等，其主要特点是：测控分站的智能化水平进一步提高；具有 网络连接功能；系统软件普遍采用了w i n d o w s 操作系统。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，同时，在煤矿安全规程有关条款指导下，规定了我 国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。国内各主要科 研单位和生产厂家又相继推出了k j l 0 1 、k j f 2 0 0 0 、k j 4 k j 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。 目前，我国煤矿中使用的各类监测监控系统多达十几种，国有煤矿中已装备监测系统 的矿井约占总数的三分之一煤矿监控系统的应用对改善我国煤矿的安全状况，提高煤矿生 产效率和现代化管理水平起到了重要作用。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 意义与目的 煤矿井下安全监测与人员定位系统是煤炭工业发展的必然产物，是维护矿井安全与保 护矿工的重要基础设施之一。它作为矿井设施的一个重要组成部分，是矿山数字化步骤中 的一个必需的环节。煤矿井下安全监测与人员定位系统具有无线通信、复合式监测、定位 精度高、能耗低、建设成本低等优点。该系统的使用必将为现有的矿井监测水平提高到一 个新的层次；同时为人员管理提供更可靠的基础。本项目旨在解决煤矿井下监测及定位设 备的一些不足，为煤矿井下安全监测与人员定位系统的实施提供理论基础和技术准备，加 快我国矿山数字化的步伐。 煤矿井下安全监测与人员定位系统的意义主要体现在以下几个方面：为煤矿企业提供 更高的安全保障：灵活布置的无线网络使得监控点无处不在，真正监控整个矿山环境；实 时监控管理入井人员的运动情况。安全管理部门根据实时上传的运行状况和告警信息，及 时了解煤矿的正常施工情况或各种超标的状况及人员位置，为管理人员准确、快速的制定 安全防范措施，提供极大的帮助。煤矿井下安全监测与人员定位系统采用无线传感器网络 技术，不但能克服矿井数量多、地域分散和技术力量薄弱等问题，又能充分发挥原有瓦斯 监控设备的作用、减少资金投入，便于在煤矿系统推广应用。 目前煤矿井下安全监测系统大都采用设备监测和人工监测相结合的方法。由于两者的 配合使用，有效地提高了煤矿生产的安全性。但是，由于监测技术的局限性，该类系统的 有些特性需要提高。首先，基于有线网络的安全监测系统由于需要建设有线传输系统，因 此在很大程度上限制了网络规模的扩大。随着开采面的不断向前推进，基于有线网络的安 全监测系统由于不可能及时地在这些区域建设有线网络，因此不能及时监测这些危险区 域。这就成为煤矿安全监测系统采用有线网络为传输介质的最大不足。其次，人工监测的 方案是凭借专门人员丰富的实际经验对危险情况的发生进行预测。由于该类专门人员数量 有限，同时考虑到监察员对各个区域检查的随机性，导致不可能覆盖井下所有区域。因此， 该方案的实际应用也有一定的限制。 针对以上煤矿安全监测系统采用方案的不足之处，本系统采用无线通信方式。随着巷 道的延伸，该系统可以及时地在这些区域增加无线网络结点，扩大网络规模，从根本上解 决现有监测系统存在的不足。该系统采用最新的无线传感器网络技术，与传统的网络相比， 它是一种以数据为中心的自组织无线网络。网络中的结点密集，数量巨大且部署在十分广 泛的区域；网络拓扑结构动态变化，网络具有自组织和自调整的特点。网络结点具有成本 低体积小、能量极其有限、计算能力、存储能力和通信能力有限的特点。参考矿井监测特 点，对比现有煤矿安全监测系统的不足，无线传感器网络能很好地满足这些要求。 同时，现阶段的矿井人员定位系统主要采用r f i d 技术对人员进行定位。该技术的广 泛应用为煤矿安全事故的减少起到了积极作用。相对于r f i d 技术，无线传感器结点价格 更加低廉，采用无线传感器网络的煤矿井下安全监测与人员定位系统将有效的降低该系统 的建设成本，同时由于信标结点的大量布置将进一步提高定位精度。其次基于r f i d 技术 的矿井人员定位系统依赖于有线的传输系统，所以该类系统也存在着与煤矿安全监测系统 相同的问题。采用无线传感器网络技术的煤矿安全监测和人员定位系统将进一步提高煤矿 江苏大学硕士学位论文 生产的安全系数，促进煤炭工业的稳步发展，为我国的能源建设提供保障。 1 3 研究内容 通过了解已有的煤矿井下安全监测系统和矿井人员定位系统的信息传输、定位求解等 技术，结合i e e e8 0 2 1 5 4 标准提出基于无线传感器网络的煤矿井下安全监测与人员定位系 统。目标是将无线传感器网络应用于数字化矿山建设中。实现较准确的监测环境数据以及 较高精度的人员定位。为安全管理人员的决策提供可靠的依据。 无线传感器网络应用于煤矿井下安全监测与人员定位系统中将要采用的技术有定位技 术、链状网络的路由技术、通信单片机接口及控制技术等。主要有以下内容： 1 ) 分析实际需求提出煤矿并下安全监测与人员定位系统的总体设计方案，描述系统的 组成以及各子部分的具体功能； 2 ) 根据实际使用特点，设计不同类型的结点。分别为人员便携式结点以及位于矿井巷 道内的固定结点； 3 ) 提出适合煤矿井下安全监测与人员定位系统应用的基于距离有效性的地理坐标，与 有关算法进行对比分析； 4 ) 研究适合用于煤矿井下安全监测与人员定位系统的定位算法，并分析其性能，并提 出求精方案； 5 ) 对实现的各个组成部分进行仿真测试，分析相关性能。 最后是全文的总结，在此研究的基础上针对不足之处给出了展望并对下一步工作做了 简要规划。 4 江苏大学硕士学位论文 第2 章总体方案设计 基于无线传感器网络的煤矿井下安全监测与人员定位系统主要由各种无线传感器结 点、嵌入式网络终端( w s n e s ) 、服务器等组成。本章节主要介绍整个系统的结构，以及软 硬件的组成。 2 1 系统体系结构 2 1 1 总体方案 采用无线传感器网络技术的煤矿井下安全监测与人员定位系统主要包括以下几部分： 环境参数监测系统、人员定位系统、w s n e s 、矿井巷道固定结点、人员便携式结点。系 统框架如图2 1 所示： 豁摔中止i 、 ：矿区1 1 ：矿i k 2：矿i 签3 _ 图2 - 1 矿区安全监测与人员定位系统结构示意图 该系统由井下监测网络和矿井监测管理中心两部分组成。从图2 1 可以看出，矿井监 测管理中心与井下监测网络采用有线网络连接，有线网络主要遍及地面以及矿井入口处。 井下监测网络采用无线传感器网络，该网络主要负责从矿井入口处延伸到工作面的区域。 矿井巷道固定结点和人员便携式结点构成井下主要通信网络。固定结点将移动结点发送的 信息以及自身采集的信息按照设计的通讯协议经过传感器网络传送至监测中心接收主机。 煤矿井下安全监测与人员定位系统的数据服务器接收由各个传感器网络传来的数据包，解 析、存储后将监测数据在终端显示给用户。 s 江苏大学硕士学位论文 1 ) 矿井无线传感器网络 井下监测网络采用无线传感器网络技术。由于无线传感器网络的特殊性，可以随时在 需要监测的区域布置结点，因此非常适合在应用在矿井这一环境中。每个矿井可以是视为 一个无线传感器网络。各个无线网络通过现有的局域网连接至监测中心。井下监测网络主 要由三部分组成： 矿井巷道固定结点：组成无线传感器网络的主要结点，以无线传感器网络无线多 跳传输方式传输数据。同时此类结点配置不同的传感器实现对环境参数的采集， 并且协助移动结点的定位。 人员便携式结点：矿井人员随身携带的结点，也是每个人员的身份标记。定位系 统根据此结点对目标进行定位。 w s n e s ：无线传感器网络与有线局域网的连接转换设备，是将井下有线、无线网 络统一的重要设备，具有一定的计算存储能力。 2 ) 监测中心管理系统 矿井管理中心由多台服务器构成。各个内部终端通过访问数据库，获得矿井及人员监 测信息，进行管理。同时为了方便外部用户的查询，设置了w e b 服务器。外部用户可以通 过访问w e b 服务器及时查阅数据库信息。该中心包含两个子系统： 环境参数监测系统：根据由无线传感器网络获得的环境数据，对煤矿井下所有巷 道进行监测、报警。通过实时监测现场安全生产情况，及时控制和消除事故隐患， 为煤矿的安全生产管理提供可靠的技术保障。 人员定位系统；由于在矿并下绝大部分区域布置了大量的无线传感器结点，因此 系统能实时地显示处于无线传感器网络覆盖范围内的所有人员的当前时刻的位 置，为煤矿的安全生产和事故后的抢险救灾工作发挥积极作用。 2 1 2 性能要求 煤矿井下安全监测与人员定位系统集成了矿井环境监测。井下目标定位、跟踪、考勤 统计等功能开发和设计要求。分析系统的运行要求，该系统具有以下特点： 识别性能 1 ) 定位精度高：精度在0 8 米以内。同时具有大范围和高精度的特点； 2 ) 实时定位：可显示人员当前时刻的准确位置，实现实时定位跟踪。 良好的电气特性 1 ) 超低功耗：无线传感器节点在不更换电池的情况下可连续工作0 3 0 。5 年； 2 ) 无频率污染：采用2 4 g 公共频段，不影响其他无线设备的通信。 强大的系统处理能力 1 ) 数据传输速度高：采用无线方式通信，传输速度可达2 5 0 k b p s 【7 】； 2 ) 系统容量大：单系统可接入多达6 5 5 3 5 个节点，并可通过组建局域网的形式形成更 多的单个无线传感器网络，加入更多的无线传感器节点，扩大网络规模。 其它优势 1 ) 灵活性高：可灵活增加、减少和移动无线传感器节点的位置，便于扩容； 6 江苏大学硕士学位论文 2 ) 安装使用方便：无线传感器节点体积小、重量轻，设备安装方便； 3 ) 运行安全可靠：设备内部电路高度集成化，将器件故障率降到最低，采用电池供电， 可连续供电六个月以上。 2 2 系统硬件组成 系统由构成无线传感器网络基本构架的矿井巷道固定结点和矿井人员随身携带的人员 便携式结点、w s n e s 以及监测中心服务器等组成。 2 2 1 人员便携式结点 在煤矿井下安全监测与人员定位系统中，人员便携式结点处于最外围结点，不负责传 递数据，而且这些结点间也不能相互通信。它们的主要功能是实现目标定位以及环境监测。 结合周围的矿井巷道固定结点的位置信息，人员便携式结点采用合适的定位法则为自身计 算出实时位置坐标。同时每个便携式结点也是工作人员的唯一标识，为考勤统计、安全监 测管理、区域禁入管理、丢失报警、车辆设备管理等功能开发和设计提供基础。 人员便携式结点可以配置功能简单，体积小巧的瓦斯传感器。这些传感器的功能只是 监测便携式结点周围环境是否发生变化，提醒矿井工作人员当时的工作环境是否安全。但 是，矿井工作人员随身携带的电源有限，因此这些传感器不负责整个环境的监测功能。 2 2 2 矿井巷道固定结点 矿井巷道固定结点顾名思义这些结点布置在巷道。由于这些结点内写入的坐标与实际 环境的坐标一一对应，因此，这些结点在布置完成后就不可能再更换位置，除了结点出现 故障或者网络重新布置。 矿井巷道固定结点具有主要两个功能：监测整个矿井的环境特征；转发数据。由于这 些结点处于矿井巷道，并且结点位置固定，因此可以考虑采用矿井工作电源进行供电。在 不用考虑功耗的情况下，固定结点可以配置一些更精密的传感器设备，及时准确的感知外 界情况的变化。矿井巷道固定结点作为无线传感器网络的传输转发结点，担负着传输由人 员便携式结点发送的数据以及固定结点自身采集的环境特征值。这些数据最终传送到汇聚 结点，然后再经过有线网络保存在整个系统的数据服务器内。作为定位系统的支柱，每个 矿井巷道固定结点存储着与实际位置对应的坐标，时刻为移动结点提供坐标信息，完成自 身的定位。 每个工作层面的无线传感器局域网内的通信采用无线方式，而无线网络之间则采用有 限局域网的形式进行通信。 2 2 3 嵌入式网络终端( w s n e s ) w s n e s 为无线传感器网络与有线网络连接转换设备。每个w s n - e s 负责管理一个无 线传感器网络的操作，同时将从无线网络获得的数据经过处理传递至有线局域网。该设备 与无线传感器网络接e l 采用r s 2 3 2 接口与汇聚结点相连，在有线局域网这端采用普通网络 接口。由于采用了这样设计思想，井下的无线网络可以由多个无线网络构成。如果需要对 无线网络进行调整时，只需在局部区域进行，不必调整整个无线网络。 7 江苏大学硕士学位论文 2 3 系统软件结构 矿区监测中心主要包括两个部分：环境监测系统、人员定位系统。这两个系统作为整 个系统的核心，矿区监测中心通过处理由无线传感器网络获得的数据，实现人员跟踪定位、 考勤统计、环境安全监测管理、区域禁入管理、紧急事件处理报警等功能。系统可对上述 信息进行长期保存，并可方便地查询历史记录。通过网络化可实现矿井目标定位安全管理 信息的充分共享，如图2 2 所示，为矿井各部门及上级各层领导及时提供实时监测信息与 历史信息，为他们监督指挥决策提供重要依据。 终端 、 图2 - 2 监测系统结构示意图 煤矿井下安全监测与人员定位系统软件结构主要由人员便携式结点、矿井巷道固定结 点和监测中心管理软件等部分构成。如图2 3 所示： 环境监测系统人员定位系统 监测管理可视化与输出系统 中心 矿井环境、人员信息数据库 数据分析 有线局域网 w s n 数据转发 i协议转换 e s 数据存储 无线传感器矿井巷道固定结点 网络 人员便携式结点 图2 - 3 煤矿井下安全监测与人员定位系统软件结构 矿井巷道固定结点作用是响应人员便携式结点的数据收发请求，进行数据转发。当结 点上电以后，结点检查路由状态，如果路由没有就绪，则开始路由请求过程，建立路由。 然后进入数据收发，数据采集的状态。过程如图2 4 所示： 8 江苏大学硕士学位论文 y 人 路 结路 由 建； 数据 占 j 廖ln 请立1 r 一 收发 上 j i7 就 一 求路 数据 电 绪 过 由 采集 程 v 图2 - 4 矿井巷道固定结点软件流程 人员便携式结点的主要作用是人员定位。首先结点检查是否绑定到某个矿井巷道固定 结点。一旦绑定成功，便携式结点进行定位，定位信息经过绑定的固定结点传送至监测中 心。软件流程如图2 5 所示： n 数据 收发 数据 采集 图2 - 5 人员便携式结点软件流程 矿区监测中心面向系统的管理人员。整个系统平台的设计和软件系统构架充分考虑到 和其他系统的衔接与信息共享。主要包括两部分功能：通信子系统和监测子系统。如图2 6 所示： 匠邑：垂至) ( 气磊赢 - 。- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。， ， f 眦e 8 0 2 31 ，一一 通 信 子 系 统 实际环境 图2 - 6 监测系统层次结构 通信子系统包括两个部分：无线传感器网络和有线局域网。嵌入式网络终端( w s n e s ) 负责响应各自对应的汇聚结点的串口设备，读入数据，传输至有线局域网。通信子系统通 过有线局域网获取数据，并进行解析，译成可读格式存入数据库中。监测子系统通过读取 数据库中的信息，将相应的环境数据，人员位置等信息图形化地显示在屏幕上。在地图上 可查询任一区域的环境参数，以及人员信息。 o 、j 1 |i 旺：； m _ f、l量 江苏大学硕士学位论文 第3 章无线传感器网络结点设计 结点是组成无线传感器网络的基础。结点负责数据采集、处理，而且整个系统的数据 传输也由这些结点完成。本章在仔细分析系统需求的基础上，具体介绍实现各种结点的软 硬件设计。 传感器网络具有很强的应用相关性，在不同的应用要求下需要配置不同的网络模型、 软件系统和硬件平台。简单的说无线传感器网络是在特定应用背景下，以一定的网络模型 规划的一组传感器结点的集合，而传感器结点是为传感器网络特别设计的微型计算机系 统。在传感器结点设计中需要考虑以下几个方面p j ： 1 ) 灵活性：无线传感器结点需要定义统一、完整的外部接口，在需要添加新的硬件 部件时可以在现有结点上直接添加，而不需要开发新的结点。同时，结点可以按照功能拆 分成多组件，组件之间通过标准接口自由组合。在不同的应用环境下，选择不同的组件自 由配置系统，这样就不必为每个应用都开发一套全新的系统。 2 ) 稳定性：无线传感器结点按功能可以分为相对独立的模块，每个功能模块均可以 在外部环境变化范围内正常工作。在某一模块出现问题时，系统能及时感知并采取积极措 施。禁止因为某一模块的失效而导致整个系统的崩溃。为此各个功能模块要求相对独立， 防止相互影响。 3 ) 低功耗：由于无线传感器结点体积有限。在绝大部分应用环境中是采用电池供电， 而且电池在短期内不能更换或者一旦使用就不能更换。因此在设计时优先考虑低功耗的器 件以节约能源。 4 ) 通信能力：无线传感器网络结点系统设计的一个重要指标就是无线通信范围和通 信能耗。事实上这两者是相互关联的。通信范围的大小决定了结点布置的密度，而结点的 密度将影响整个工程的成本。其次，通信能耗直接导致通信范围的大小。因此选择合适的 通信范围和通信能耗对整个系统的性能有着至关重要的作用。 5 ) 低成本：低成本是传感器结点的基本要求。只有成本低，才能大量地布置在目标 区域中，表现出传感器网络的各种优点。低成本对传感器结点各个部分提出了苛刻的要求。 因此在元器件的选择上应该考虑整个系统的性能与成本的平衡。 无线传感器网络结点作为一个完整的微型计算机系统，要求其组成部分的性能必须是 协调和高效的，各个模块实现技术的选择需要根据实际的应用系统要求而进行权衡和取 舍。图3 1 【8 】描述了构成传感器结点的各个模块性能需求的依赖关系。 图3 - 1 传感器结点各模块性能需求的依赖关系 l o 江苏大学硕士学位论文 由于应用环境的不同，对于传感器结点的要求也略有差别。因此，处于一个特定的应 用环境时，应该综合考虑各个性能指标，选择合适的方案。 3 1 人员便携式结点设计 人员便携式结点即是矿井人员随身携带的无线传感器网络结点。根据需求分析，便携 式结点需要实现的功能分别为：人员定位、紧急事件报警以及数据传输。由于只是初步设 计，该结点没有考虑本安设计。便携式结点结构如图3 2 所示： 图3 2 人员便携式结点结构及实例示意图 3 1 1 人员便携式结点硬件设计 3 1 1 1 人员便携式结点原理图设计 无线传感器网络结点结构，如图3 3 所示。原理图主要描述了处理器模块和通信模块 u u j 。处理器模块采用a t m e g a l 2 8 为控制核心，通信模块选用c c 2 4 2 0 芯片负责结点间的通 t l 佰。 人员便携式结点主要由处理器模块、无线通信模块和传感器等部分组成。 1 ) 微处理器 处理器模块是无线传感器结点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算和 功能协调、通信协议、数据融合和数据转储程序都将在这个模块支持下完成，所以处理器 的选择在传感器结点设计中是至关重要的。传感器网络结点使用的处理器应该满足一下要 求：外形尽量小、集成度尽量高、功耗低而且支持睡眠模式、运行速度要尽量快、要有足 够的外部通用i o 端口和通信接口、成本要尽量低、有安全性保证。 a v r 单片机是a t m e l 公司推出的r i s c 单片机 9 1 。由于a v r 采用了r i s c 的这种结构， 使a v r 系列单片机都具备了i m i p s m h z ( 百万条指令每秒兆赫兹) 的高速处理能力。并且 具有良好的集成性能，其中的m e g a 系列还具备j t a g 仿真和下载功能；a v r 片机的i o 接 1 2 1 具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、l e d 等器件，从而省去驱动电路，节 约系统成本。a v r 单片机采用低功率、非挥发的c m o s 工艺制造，除具有低功耗、高密 度的特点外，还支持低电压的联机f l a s h 、e e p r o m 写入功能。 综上所述，a v r 单片机在运行速度、集成度、能耗和成本等诸多方面都有着突出的优 势，是高性价比的单片机。因此，属于a v r 单片机系列中高档产品的a t m e g a 系列单片机 能够很好担当此次设计的处理器。 江苏大学硕士学位论文 s p is 】 l e d 3 4 1 霹 s p i c a a r 2 9 s p i s o c 3 5 p a o a d o p a l a d l p a 二a d 2 p 3 l n p a 埘 p a 5 a d 5 p a 6 埘 p a 7 j a d 7 p 0 跏 p c i i a 争 p c 2 铷0 p c 了a l l p c 2 , * a 1 2 p c i a l 3 p c 6 j 射4 p c 7 j a t 5 柏趟 船1s c k p b 二a 嘲 p b ，h 哟 职o c o p b j d c l a p b 6 d c l b p b 7 旬c 1 c 囊室壶 脯譬cc l k 罗岁p d l 1 2 c f i a t a p d 二r x d i p d ，t x d i 阱贮l i 自, d s - x c k i p d 6 t l p d 7 n a 盆口 弓弓蓦 p i r x d o p e l t 疆) o 班x 0 ( o 川三3 ，o c ，a p e 4 0 c 3 b p e s o c 3 c p e 6 耶 p e 7 氇c ， 雕科a d c o 脬17 a d c l p f ：a d c 2 p 盼 a d c 3 h 4 ，r a 艮 f f s - q m s w 6 i d o 舅了懈 pg ! 蔓 l e 1 5n c c 球 6 la d c o y 2 口1 3 3 、讯 y 3r 一1 23 - 4 i k 一 3 2 7 6 8 k h z v c cl 签 r 3 0 i i u r l o r 3 4 饼，；3 m 辟 姗婵 d 铽m d 垤p i l 讲a ) 0 1r m n c m c k c n c n c n - c f 奁o h f o p 0 c 疆d c 轴 s 1 k q 9 d