毕业论文矿井无线传输模块的设计

1、江西科技师范学院毕业论文（设计）题目（中文）： 矿井无线传输模块的设计 （外文） ： the design of mine wireless sensor module 院（系）： 通信与电子学院 专 业： 电子科学与技术 学生姓名： 喻璐 学 号： 20071181 指导教师： 朱颖莉 格式错误2011年1月10日16目录目录重新生成引言1无线传输系统的研究现状1.1 选题背景1.2 无线传输系统研究与发展1.2.1无线传输系统的研究1.2.2 无线传输系统的国内外发展1.3 结语2 无线传感网络技术介绍 2.1 无线传感网络的结构 2.2 无线传感网络的特点 2.3 uwb的概念 2.4

2、uwb技术在矿井中应用的可行性分析3 系统方案设计3.1基于gsm手机模块的数据传输 3.2 系统结构4矿井无线通信系统的设计 4.1 传感器硬件设计 4.2 传感器电路接口设计5总结和展望参阅文献矿井无线传输模块的设计摘要:文章介绍了一种基于无线传感器网络的矿井应急方案，阐述了无线传感器网络的结构,特点及无线传感器网技术,移动通信技术在矿井应急通信系统中的应用设计.该矿井应急通信系统利用无线传感器网络进行紧急状态下矿井数据的采集和收集,利用成熟,信号覆盖面广的移动通信技术进行信号的传输,将数据实时地传送到处理中心和相关的责任人,便于对紧急情况的决策处理.关键词:矿井;无线传感器网络;应急通信

3、系统;手机模块;gsm关键词：无线传输；文字格式不对，关键词不清晰引言1无线传输系统的研究现状1.1选题背景煤炭是我国经济建设的基础，煤炭的开采主要以井下为主，巷道长、矿井生产工序多、作业地点分散，人员流动性大且工作环境恶劣，事故隐患大。为了矿井的安全生产和效率的提高，解决无线通信是一个关键的问题。然而，矿井无线通信系统具有许多不同于一般地面的无线通信系统的特点，许多地而上使用的通信设备和技术无法直接应用到煤矿井下。近年来，我国煤矿安全状况形势非常严峻，不断发生瓦斯爆炸事故.为保障煤矿的安全生产，需设计一套完善的矿井应急无线通信系统。国内多数煤矿企业都已经或正在进行生产调度,监测监控等信息系统

4、的建设,这些系统的建立在实现安全生产的过程中起到了重要的作用.但是这些几乎系统都是基于有线的系统,在紧急状态下(比如电力中断,事故等)如何将安全生产监测监控信息及时,准确地传送到各级相关人员手中,缺乏有效的手段.无线传感器技术是目前无线通信领域内研究的一个热点技术,它综合了传感器技术,嵌入式计算技术,现代网络及无线通信技术,分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测,感知和采集各种环境或监测对象的信息,通过嵌入式对信息系统进行处理,并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端.本文提出了一种基于无线传感器网络的矿井应急通信系统的设计方案.该方案

5、利用无线传感器网络和gprs手机模块,gsm手机模块或者cdma手机模块等,在系统电力出现故障时保证系统仍能正常地工作,极大地提高了紧急情况下的人员搜救能力,具有较大的现实意义.1.2 无线传输系统研究与发展1.2.1无线传输系统的研究目前，我国煤矿井下通信基本使用有线装置，依靠电缆传输信息，由于井下特殊环境所限，地面潮湿，电缆腐蚀严重，一旦发生事故，通信马上中断，指挥端很难与事故地点取得联系，成为矿井通信一个至关重要的盲点，介于有线通信的种种弊端，国内外现正积极研究各种井下无线通信系统，这对煤矿生产管理，特别是矿井救灾具有重要意义。 在该系统中首行缩进，首先无线传感器网络用于检测和传感各种数

6、据，然后在地面gsm系统信号可以覆盖的地方设置一个数据中转终端，最后由中转终端利用gsm网络将数据传到数据处理中心和安全责任人员的手机上，以便决策。矿井无线通信系统最基本的要求是能够及时有效地传递信息，发布预警消息，保证井下安全。考虑矿井的结构特点，把矿井无线通信系统设计成如图2所示的网络结构。底层是部署在矿井巷道和工作面上的传感器网络，向上依次为传输网络和地面监控中心。为了保证通信系统的可靠性和准确性，传感器节点的部署密度通常比较大，并且部署在矿井中所有的工作面和巷道中，从而形成多个传感器网络。传输网络是负责协同各个传感器网络网关节点、综合网关节点信息的局部网络。 图2 监测系统网络结构应居

7、中无线传感器网络采用网状拓扑结构，由于完全的网状拓扑控制要消耗传感器节点较多能量，为了在满足网络连通的前提下，尽可能地节约能量，在矿井的每个巷道和工作面部署的大量节点中选取少数节点作为主节点，打开其通信模块，关闭非主节点的通信模块，由主节点建立一个网状全连通网络来负责数据的路由转发。这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信，也在很大范围内节约了能量。无线传感网络拓扑结构如图3所示。剪切不当 图3 无线传感网络拓朴结构这里，由主节点来调节非主节点的工作，负责数据的融合和转发，能字体间距不对量消耗会相对较大。为解决主节点的能量消耗问题，这里主要通过网络自身周期性地监测各传感器的能量状态，并自动更换主节

8、点来均衡网络中各节点能量消耗。选取所有节点中能量大于某一设定值的少数几个节点作为主节点，其余节点选取离自己距离最近的主节点作为自己的控制节点。如果矿井工作面距离较远，或工作面数目多，可以在每个工作面专门部署一个能量较强的节点作为该工作面主节点的主节点，完成工作面之间的信息传输。基于保证矿井人员安全的需求，设计一种人员定位系统是很必要的，由于矿井人员的移动性，采用无线定位技术能更有效实现井下人员的定位。工业级无线传感网络技术的不断进步为解决传统矿井人员安全的问题提供了广阔的前景和新的契机。无线传感器网络 wsn是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知

9、对象的各种信息(如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象)，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络的一个重要优势是摆脱了传统传感器网络的连线限制，解决了成本问题，通过传感器技术、计算机技术和无线通信技术的融合，大大缩短了人和自然之间的距离。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限

10、，而且常常能量能够得到补充；网关通常使用多种方式(如iniemct、卫星或移动通信网络等)与外界通信。而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。传感器网络节点一般由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模块单元4部分组成。本论文设计思想就是基于无线传感器网络的。传感器电源电源无线传输电源处理器图1 传感器网络结构图本模块的通信方式属于点对点的通信方式，点

11、对点无线通信是无线通信中最基本的通信方式，是点到多点无线通信以及无线网络的基础。本模块的通信设计属于短距离无线通信范畴。1.2.2 无线传输系统的国内外发展国内多数煤矿企业都已经或正在进行生产调度、监测监控等信息系统的建设，这些系统的建立在实现安全生产的过程中起到了重要的作用。但是这些系统几乎都是基于有线的系统，在紧急状态下如何将安全生产监测监控的信息及时、准确的传送到相关人员手中，缺乏有效的手段。2 无线传感网络技术介绍2.1 无线传感器网络技术介绍所谓传感器网络是由大量部署在一定区域内的,具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络

12、系统.传感器网络的节点间距离很短,一般采用多跳(multi2hop)的无线通信方式通信.传感器网络可以在独立的环境下运行,也可以通过网关连接到互联网,使用户远程访问.2.2 无线传感器网络结构 无线传感器网络(wsn)由大量的节点根据自组织网络的方式构成,一般节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近.这些节点通过无线自组织传输网络,以协作的方式感知,采集和处理网络覆盖区域中的信息,可以实现对任意地点的信息在任意时间的采集,处理和分析.无线传感器网络结构如图1所示(虚线表示无线链路,实线表示有线链路). 图1 无线传感器网络结构图无线传感器网络节点具有数据采集,处理以及传送等功能,其结构

13、如图2所示.2.3 无线传感网络的特点(1)无中心.wsn没有严格的控制中心,所有节点地位平等,是一个对等式网络.节点可以随时加入或离开网络,任何节点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性.(2)自组织.网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施,节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节点开机后就可以快速,自动地组成一个独立的网络.(3)动态拓扑.wsn是一个动态的网络,节点可以随处移动;1个节点可能会因为电池能量耗尽或其它故障,退出网络运行,也可能由于工作的需要而被添加到网络中.这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化,因此网络应该具有动态拓扑组织功能.(4)节点数量众多,分布密

14、集.wsn节点数量大,分布范围广,难于维护甚至不可维护.所以,需要解决如何提高无线传感器网络的软,硬件健壮性和容错性.(5)硬件资源有限.wsn节点采用嵌入式处理器和存储器,计算能力和存储能力十分有限.所以,需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题.根据上述分析,笔者发现无线传感器网络十分适合紧急情况下矿井安全的应急通信.在紧急情况下,井下一般都会断电,线路也有可能出现问题,因此,无线传感器网络就是一个很好的选择,再结合具有广泛覆盖范围的移动通信手机模块,就可以将所需的数据安全可靠地传送到地面中心和有关责任人员的手中.3 系统方案设计3.1基于gsm手机模块的数据传输手机

15、模块采用tc35,它由射频天线,内部闪存,gsm基带处理器,匹配电源和1个40脚的zip插座组成.其中gsm基带处理器是核心部件,用来处理外部系统通过串口发送过来的at指令.它的外部集成了标准rs232接口,电源接口,模拟音频输入输出接口和sim卡,只要将其串口与pc或单片机的串口相连,就可以用at命令对它进行设置,其通信速率为9600bps.目前移动通信的信号几乎实现了无缝覆盖,因此,利用其完备的网络进行数据传输就成为应用的热点.笔者采用at指令进行单片机与手机模块间的通信设置,选择以数据,文本等格式的短消息通信方式,这样可随时进行可靠的通信,并可以节省无线传输的成本和网络维护开支.单片机和

16、手机模块之间的通信原理框图如图3所示.标点符号不对3.2 系统结构在该系统中,首先无线传感器网络用于检测和传输各种数据,如高浓度甲烷气体,低浓度甲烷气体,微量一氧化碳(co),氧气的浓度,风速,空气温度,岩煤温度,顶板压力,空气压力,烟雾和粉尘浓度及工作面的作业条件,然后在地面gsm系统信号可以覆盖的地方设置一个数据中转终端,最后由中转终端利用gsm网络将数据传到数据处理中心和安全责任人员的手机上,以便决策.该系统可实现在井下无线采集和传输数据,保证在断电等紧急情况下迅速地获得井下的安全参数.基于无线传感器网络的矿井应急通信系统结构如图4所示.用图重复图4 基于无线传感器网络的矿井应急通信系统

17、结构图3.3 结语本文涉及的矿井应急通信系统是无线传感器网络的一个最简单的应用,由于无线传感器网络具有定位功能,因此,该系统经过进一步扩展就可用于安全救援.每一个井下工作人员携带1个传感器节点,这样在发生紧急状况时就可以确定人员的井下位置以及有关的参数,保证救援行动的顺利进行.总体来说,无线传感器网络技术和gsm技术的结合应用在矿井等安全系数要求较高的地方有较大的意义,值得进一步地研究.4矿井无线通信系统的设计 4.1 传感器硬件设计节点硬件结构设计框图如图4所示，由传感器模块、处理器模块、无线通信模块三部分组成。其中，传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个节点，

18、处理采集到的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。 图4 节点硬件结构图uwb收发器的硬件设计框图如图5所示。由脉冲发生器、脉冲调制器、时钟、pn码生成器、相关器及天线六部分组成。主要完成uwb信号的收发工作。 图5 uwb收发器结构图4.1.1 uwb的概念与文章内容无关根据美国fcc对超宽带（uwb，ultra wide band）的定义，uwb是指相对带宽（信号带宽与中心频率之比）大于20%或绝对带宽大于500mhz。这里相对带宽定义如式（1）所示。式中，fc为信号的中心频率，fl、fh分别为上、下限频点（按-10db处增益计算）

19、。而对于一般的窄带通信系统，相对带宽小于1%，如图1所示：4.1.2 uwb技术在矿井中应用的可行性分析uwb技术采用宽的频带实现高速传送的原理可用香农公式来说明。在高斯白噪声的信道中，信道容量c由式（2）表示。 式中，w为信道带宽，n为噪声功率，p为发送信号功率。由式（2）知，最大传输容量c与信道的带宽w成正比，既可以通过增加信号功率p的方式来增加信道容量，也可以通过增大传输带宽来实现。由于uwb信号频带比传统的信号频带宽得多，导致了uwb与现有的其它无线通信技术相比，具有很多不同的特点2：（1）传输速率高。根据香农信道容量公式，即使发射功率很低，也能够达到100mb/s500mb/s的信息

20、速率。（2）功耗低。因为uwb采用了非常简单的传输方式，脉冲的时间宽度为纳秒级，可把电路的功耗降低到几十毫瓦以下。（3）抗多径衰落能力强。由于uwb通信采用持续时间极短且占空比极低的窄脉冲信号，则直达波和多径反射或折射波时间上不易重叠，即多径信号在接收时易于分辨，抗多径干扰能力很强。（4）系统结构简单。传统的uwb技术通常采用无载波传输，无需进行射频调制和解调，不需要上、下变频等，大大降低了系统的复杂性。uwb极宽的频谱和极低的发射功率，使uwb系统具有数据速率高、系统相对简单、成本和功耗低等优点，特别是无载波uwb通信方式更使系统的成本和功耗进一步降低。uwb技术的这些特点非常适用于矿井通信

21、。在矿井中，由于频谱的使用没有严格的限制3，对数据速率的要求也不很高，可以利用超宽带信号频带宽的特点来换取传输距离。又由于功耗低，所以非常利于“本安型”电路的设计。4.1.3 mac协议 由于该传感器网络采用主节点、非主节点的拓扑结构，即分簇的拓扑结构，其底层的mac层协议也是基于这种分簇的结构设计。节点的状态分为感应、转发、感应并转发和非活动四种状态。节点在感应状态时，采集数据并向其相邻节点发送；在转发状态时，接收其他节点发送的数据并发送给下一个节点；在感应并转发状态的节点，需要完成上述两项功能；节点没有数据需要接收和发送时，自动进入非活动状态。非主节点在各自的时间槽内发送监测到的数据给主节

22、点，经过一段时间的数据传输，主节点接收完它所管辖范围内的非主节点发送的数据后，运行数据融合算法来处理数据，并将结果直接发送给上一层主节点或汇聚节点。在实际应用中，传感器节点的失效会使拓扑结构发生动态变化。为使时隙分配能够适应这种动态变化，将一个时间帧分为周期性的四个阶段：数据传输阶段、刷新阶段、刷新引起的重组阶段和事件触发的重组阶段。mac协议在刷新和重组阶段重新分配时隙以适应簇内节点拓扑结构的变化以及节点状态的变化。4.1.4结束语uwb技术带来了一种全新的通信理念，将它用于煤矿井下无线通信系统更是一种新的探索。uwb技术所具有的低功耗、高数据率、抗多径能力强、系统复杂性低等特点，能够很好地

23、对矿井进行实时监测，尤其在水灾、火灾、塌方等恶性事故救生抢险中能起到至关重要作用。随着uwb技术的不断成熟，在煤矿井下的应用将具有很大的发展前景。4.2 传感器电路接口设计系统设计无线传感模块的设计要求：1、具有发送接收数据的功能，根据收发数据的情况判定矿井人员的位置。2、具有体积小，部署方便，低功耗、低成本的优点。3、具有抗干扰的优势，能够最大程度的避免通信冲突。4、具有操作简单、配戴方便的优点。短距离无线通信系统短距离无线通信相比有线通信有以下主要特征：无线发射功率从几µw到小于100µw；通信距离范围从几厘米到几百米；主要在房间内使用；使用全向天线和线路板天线；不需要

24、申请无线频道；高频操作；电池供电的无线发射器和无线接收器。格式化数据包（crc16）格式化数据包（crc16）发送端接收端图2 短距离无线通信系统示意图典型的短距离无线通信系统如图2所示，它由一个无线发射器和一个无线接收器组成。发射器的数据通过无线发射出去，接收器天线接收后，进行处理，得到正确的经过校验的数据。本设计就是基于短距离无线通信系统的工作原理研究设计的，矿井人员配戴该模块通过数据的发送与接收，方便井上监控系统确定人员的位置。在进行短距离无线通信时，现已有多种技术方案可供选择，最流行的关于短距离无线数据通信的3个标准是蓝牙(bluetooth)，502.11(wi一fi)标准和irda

25、，另外最近还出现了uwb，zigbee与gprs数据通信技术。现将这些数据进行比较表格模糊不清1 短距离无线通信技术综述蓝牙1998年蓝牙技术的出现主要用于通信与信息设备的无线连接。蓝牙技术是一种用于各种固定与移动的数字化硬件设备之间的低成本、近距离的无线通一讯连接技术。这种连接是稳定的、无缝的，其程序写在一个9x9mm的微型芯片上，可以方便地嵌入设备之中。这项技术能够非常广泛地应用于我们的日常生活中。蓝牙的工作频率为2.4ghz，有效范围大约在10m半径内，在此范围内作为一种电缆替代技术，它可把内嵌有蓝牙芯片的计算机、手机和多种便携通信终端联起来，以约1mb/s的速率相互传递数据，为其提供语

26、音和数字接入服务，实现信息的自动交换和处理，并能方便的接入互联网。蓝牙产品涉及pc、笔记本电脑、移动电话等信息设备和a/v设备、汽车电子、家用电器和工业设备领域。蓝牙的支持者们预言说，一旦支持蓝牙的芯片变得非常便宜，蓝牙将置身于几乎所有产品之中。目前蓝牙技术开发的重点是多点连接。2 802.11(wi一fi)wi-fi (wireless fidelity,无线高保真)也是一种无线通信协议，正式名称是ieee802.11b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。wi fi速率最高可达11 mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100 m左右,不

27、用说家庭、办公室,就是小一点的整栋大楼也可使用。最初的ieee802.11规范是在1997年提出的，称为802.11b,主要目的是提供wlan接入，也是目前wlan的主要技术标准，他的工作频率也是2.4 ghz，与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。起先，wi fi元件昂贵，兼容性不好，安全性也不能令人满意。随着时间推移,这些问题逐步得到解决，且随着wi fi协议新版本，越来越广泛。3 irda 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如pda、手机上广泛使用。它利用红外光的通断表示计算机中的0-1逻辑。irda的主要优点是无

28、须申请频率的使用权，在当前频率使用资源匿乏，频道使用费用增加的背景下的irda具有价格优势。红外线具有功耗低、连接方便、简单易用的优点。它具有数据传输率较高，适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。irda的不足在于它是一种视距传输，相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，只能实现点对点的连接，无法实现点对多点的连接，因而该技术用于2台(非多台)设备的连接，通信设备的位置需要相对固定，无法用于移动设备。irda目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。 4 uwb超宽带技术uwb(ultra wide eband)是一种新发展起来的极

29、具潜力的无线通信技术，出现在60年代，uwb是指信号带宽大于500mhz或者是信号带宽与中心频率之比大于25%。与常见的通信方式使用连续的载波不同，uwb通过基带极端的脉冲信号作用于天线的方式发送数据。uwb被允许在3.1一10.6ghz的波段内工作。超宽带技术具有对信道衰落不敏感，发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点，非常适合应用在无线传感器网络中。对它主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外，这种新技术使用于对速率要求非常高(大于100mb/s)的lans或pans。目前，英特尔公司正在进行研究和研发，以便将u

30、wb集成到个人电脑芯片组中，将其作为10m以内的近距离高速无线传输接口使用。英特尔将uwb定位于“无线usb2.0”，当前uwb的传输速率己达到100mbt/s，其下一个目标是500mbt/s。然而，uwb作为民用还是一项新技术，还有一些实际问题，uwb系统占用的带宽很大，uwb系统可能会干扰其他无线通信系统，uwb系统的频率许可问题一直还在争论中，另外uwb的干扰问题等有待解决。5. 结束语文章总体思路不清晰，格式还存在很大问题，还需要做大幅修改，理清整体思路本论文设计了一种基于无线传感网络的矿井应急通信系统，该系统利用无线传感网络进行紧急状况下矿井数据的采集和收集，利用成熟、信息覆盖面广的

31、移动通信技术进行信号的传输，将信号及时的传送到处理中心和相关的负责人，便于对紧急情况进行处理。再将uwb技术应用与该系统，uwb技术所具有的低功耗、高数据率、抗多径能力强、系统复杂性低等特点，能够很好地对矿井进行实时监测，尤其在水灾、火灾、塌方等恶性事故救生抢险中能起到至关重要作用。本论文所做的主要工作有：1、针对矿井的环境，对国内外人员定位技术进行了研究分析，决定采用基于无线传感网络技术实现人员定位的方案。2、对多种无线传感器网络技术技术进行了比较，确定采用无线传感网络进行紧急状况下矿井数据的采集和收集。3、设计了无线传输系统的硬件电路，在设计过程中考虑到了现场的环境因素，提高了模块的传输距

32、离与抗干扰的能力。4、进行了软件设计。参阅文献居中1 warneke b, last m, liebowitz b, et al. smart dust: communicating with a cubic millimeter computer j. ieee computer magazine, 2001, 34(1):4451.2 彭祖林,邓罗根,刘细华. 用于测量体温的无线实时监测系统的设计与实现j微计算机信息, 2005,(01)3 刘鸣,蒋新颖,姚雪峰. 基于ds18b20多点温度采集和无线传输j电子元件与材料, 2005,(02) .4 孙利民，李建中.无线传感器网络m.北京：清华大学出版社，2005.5王林琳