刘春龙开题报告

本科毕业设计开题汇报题目：基于ZigBee技术的井下人员跟踪系统设计专题：院（系）：电气与信息工程学院班级：通信工程07-1班姓名：刘春龙学号：指导教师：张智勇教师职称：高级工程师黑龙江科技学院本科毕业设计开题汇报

题目基于ZigBee技术的井下人员跟踪系统设计来源生产实践1、研究目的和意义面对国内煤矿安全生产的规定越来越高，建立可靠实用的煤矿井下人员跟踪定位系统，对改善煤矿的安全生产管理有着重要的现实意义。本论文设计的井下人员跟踪系统是2.4GHz新一代人员跟踪定位系统，采用国际最新ZigBee无线网络技术，可以及时、精确的将井下各个区域人员的动态状况反应到地面计算机系统，使管理人员可以随时掌握井下人员的分布状况和每个下井人员的入井、升井时间及运动轨迹，以便于进行愈加合理的管理。当事故发生时，救援人员也可根据井下人员定位系统所提供的数据、图形，迅速理解有关人员的位置状况，及时采用对应的救援措施，提高应急救援工作的效率，可以很好地处理潜在的某些问题，具有一定的先进性和实用性。2、国内外发展状况(文献综述)对于井下定位技术的研究，最早的可以追溯到1991年南非德比尔企业的芬什矿山使用的地下矿铲运机自动测位系统。该系统在矿山四面的关键位置布置了一组红外线邻近效应探测器。当车辆通过某探测器下面时，装在车上的红外线发射器向该探测器发射一种用于识别该机车的数码。这个数码被传到一种控制着调度过程的中央计算机。红外线探测器之间需要设置识别环路设备，这意味着基础设施费用提高，并且系统的灵活性较差。1994年在南非普雷米尔(Premier)金刚石矿安装了一种微波信标系统，它包括一种车上安装的监测器。该监测器持续探测设在矿山周围各要点的微波信标与否出现，该信标为圆柱形，用电池供电，发射超过3m范围的统一调制识别信号。1995年澳大利亚芒特艾萨矿业企业开发了一种基于射频识别(RFID)技术的人员探测系统，用于监测矿工与否进入危险地带。这个系统使用顶板安装的天线，用来监控装在每个矿工帽上的小型无源信标，进而可以懂得各个天线所覆盖范围内的人员状况。目前，伴随国家对煤矿安全的日益重视和监管力度的不停加强，我国大中型煤矿及广大乡镇小煤矿已大量装备了煤矿安全生产监控系统。国内也有诸多企业开始从事井下人员定位与管理系统的研究与开发，如北京凌天世纪自动化有限企业研制的KJ155型矿用人员跟踪考勤系统，维深电子研制的井下人员跟踪系统，以及上海秀派电子科技有限企业研制的KJ19井下人员及设备跟踪系统等等。上述系统基本上都是采用的RFID技术，RFID技术是从70年代发展起来的，也是目前研究的一种热点。此类系统通过在矿井进口处以及某些关键通道入口处使用射频卡读写系统来实现对下井人员的登记记录，从而进行跟踪定位。实际上这只是实现了人员的粗定位，即只是将人员定位在一定的范围内，而没有把人员定位在一种详细的位置点上，因此，不能实现实时跟踪和定位。3、研究内容1．通信接口的设计将ZigBee技术应用于煤矿井下的无线通讯以及人员定位，在遵照IEEE802.15.4/ZigBee协议的基础上，根据实际状况自定义通讯协议，实现ZigBee通讯子网之间以及ZigBee通讯子网和地面的数据接受解析模块的通信接口。ZigBee是采用成熟无限通讯技术的全球统一原则的开放的无限传播技术，处理了系统的信息采集、无线网络数据通讯的问题，不过ZigBee通讯子网之间以及ZigBee通讯子网和地面的数据接受解析模块的通信接口还需要定义，使通讯信息简洁而有效，其中包括ZigBee定位模块的标识问题，以及位置信息的时间标志问题[2]。2．实时的、动态的数据分析某个人员位置判断的根据有：定位节点的地址、路由节点的地址和时间序号，而某个人员也许处在几种路由节点交叠的范围内，根据这些有限的信息判断人员位置有也许误判，判断实时判断超员、超时更是难点，这些也许要结合信号强度和人工建模来处理。对于在线的人员位置信息进行实时的、动态的数据分析，分析出人员移动方向，进行异常分析。3．模拟动画显示处理可视化显示中的模拟动画显示问题，显示巷道布置模拟图、设备布置图、人员位置等，具有漫游、总图加局部放大、分页显示等。4、设计方案（研究/设计措施、理论分析、计算、试验措施和环节等）：本文硬件包括井上控制，移动节点和固定节点三部分，其中井上控制部分重要由PC机构成，移动节点和固定节点部分重要由射频芯片和微处理器MCU构成。电路框图如图1所示。图1硬件设计模块构造框图移动节点将要发送的信号从MCU通过SPI口传送到CC2420中，通过扩频调制到载波后通过发通路从天线发射出去。固定节点将从天线接受的射频信号通过收通路传送到CC2420中，通过解调、解扩得到原始的数据，再通过SPI接口传送到MCU，MCU同步提供对收发通路的切换控制，并将接受的数据经网络传播至井上控制端。固定节点还可以接受和传播来自顶板压力、瓦斯、温度等传感器的信号。软件采用模块化构造，重要由如下几部分构成，软件框图如图2所示。图2软件设计框图通过GIS巷道显示系统可以显示井下巷道、盲道、采用线路及分站设置点，人员通过监测点的信息和井下巷道人员、采区人员的分布。地面报警显示系统可以提供禁区报警和紧急状况报警显示。人员管理数据库包括整个系统信息，为人员信息查询，报表打印等提供资料。人员定位子系统包括定位算法软件和通信传播软件(即标识卡软件和读卡器软件)。5、方案的可行性分析1.2.4GHz的频段在井下通信应用的可行性(1)基于波导理论矿井巷道的半封闭空间构造以及煤的电介质特性使得矿井在频率较高的状况下类似于波导，因而较高频率无线电信号可以在其中较为有效地直接传播。(2)基于无线电传播的光学射线理论当无线电的波长远远不不小于限定空间的几何尺寸时，无线电的传播可以当作是光在限定空间中直射、反射、绕射的综合成果。2.ZigBee的PHY层中接取方式是采用直接序列扩频(DSSS)技术。DSSS技术的基本思想就是通过编码和调制的措施在发送端将信号的带宽扩展到一种较宽的频谱带宽上，在接受端使用相似的扩频码进行有关解调来解扩及恢复所传的数据信息。其具有如下长处：(1)具有很强的抗干扰性；(2)有效实现抵御多径干扰；(3)有助于提高系统容量。3.ZigBee技术具有低功耗、低成本的优势，而这些恰好合用于煤矿井下巷道多波折、电源供电限制严格、煤炭行业资金短缺等特点。尽管它有着较低数据传播率，不过这一传播速度仍可以满足井下人员定位与管理系统的需求。4.本质安全源于按GB3836.1-原则生产，专供煤矿井下使用的防爆电器设备的分类，防爆电器分为隔爆型、增安型、本质安全型等种类，本质安全型电器设备的特性是其所有电路均为本质安全电路，即在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路。也就是说该类电器不是靠外壳防爆和充填物防爆，而是其电路在正常使用或出现故障时产生的电火花或热效应的能量不不小于0.28mJ，即瓦斯浓度为8.5%（最易爆炸的浓度）最小点燃能量。ZigBee技术属于低压、小电流的无线通信技术，符合防爆规定。6、该设计的创新之处7、设计产品的重要用途和应用领域基于zigbee技术的井下人员跟踪系统设计将对入井人员进行实时监控，理解入井人员的各方面信息，加强安全生产的防备措施，对的处理安全与生产，安全与效益的关系，精确、实时、迅速履行煤矿安全监测职能，保证抢险救灾、安全救护的高效运作，提高了井下人员的安全性和定位的精确性。8、时间进程系统分析：3月10日-4月1日总体设计：4月2日-4月20日详细设计：4月21撰写论文：5月20日论文打印：6月11日-6月12日论文答辩：6月13日-6月20日9、参照文献张瑞峰.RFID技术在煤矿安全生产管理中的应用.山西煤炭，，(12):56～58瞿雷.一种新的无线网络通信技术Zigbee单片机与嵌入式系统应用王晟.无线传感网络节点定位与覆盖控制理论及技术研究[D].武汉理工大学，TheBluetoothspecialInterestGroup曹育红.矿井无线通信的频率选择.工矿自动化，,(4):23-25Reinhardt，Tony，EnvironmentGIS:Theworldinacomputer.JournalofEnvironmentalScienceTechnology，1996BurrouphPA.PrinciplesorGeographicInformationSystemsforLandResourcesAssessment，ClavendonPress，Oxford，1990唐友怀，姚亚平.Cygnal在片系统单片机的特点与应用[J].现代电子技术，，(8):86-88DatasheetofC8051F340/1/2/3/4/5/6/7，王秀梅，刘乃安.2.4GHz射频芯片CC2420实现ZigBee无线通信设计瞿雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，:45-48史波，田凯.通用串行总线USB技术概述[J].信息技术，，（04）：35-36林春.永磁同步直线电机伺服控制系统研究[D].杭州：浙江大学，萧世文.USB2.0硬件设计[M].北京：清华大学出版社，:8-10范延滨.微型计算机系统原理、接口与EDA设计技术[M].北京：北京邮电大学出版社，:89-392郝云芳.带VCC输入引脚的硅序列码芯片DS2411及其应用[J].国外电子元器件，,(3)：53-55马钢.ZigBee的井下人员跟踪定位系统的设计