基于ZigBee无线技术的井下人员定位系统

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 3.33MB 57 页 15积分

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摘要

保证煤炭生产过程中的安全在我国的煤炭开采中是十分重要的，因为与世界

上其他产煤国相比较，我国的煤矿地理结构相对复杂，开采过程中遇到的问题很

多，特别是近年来我国煤矿事故频发，且当事故发生后，往往救援不够及时，给

国民经济带来了很大的损失。

为解决上述问题，本文研究了一种基于无线传感器网络的多跳的通信技术

ZigBee，同时详细介绍了 ZigBee 这种短距离通信技术的特点以及它的协议架构，

具体分析了一种 ZigBee 协议，即 Z-Stack 协议栈，并介绍了另外几种无线通信技

术，然后与 ZigBee 技术相比较，得出各自的优缺点以及本矿井定位系统中采用

ZigBee 通信带来的优势，论证了它的可行性。在此基础上，以 CC2530 芯片作为

网关节点与参考节点的核心，网关是所有节点的控制中心，负责以有线的方式与

上位机监控软件进行数据通信；参考节点的主要作用是接受移动节点命令并返回

相应的数据给移动节点，同时负责与附近的节点进行通信。以 CC2530 作为移动节

点的核心，移动节点根据定位需求发出相关命令来获取定位所需数据，并将获取

数据信息传输至上位机，最后在上位机软件中用算法实现井下矿工位置的计算。

考虑到本人员定位系统应用环境的复杂，选择在每个节点上加功放 CC2591 来提高

系统通信质量与距离。

此外，选择 Z-Stack 作为本矿井系统的软件基础，各个设备节点的程序代码都

是在此基础上继续编写应用层代码而成。由于 RSSI 测距的定位精度不高，因此在

原来的算法基础上进行了改进。同时基于 C++语言完成了上位机画面显示的设计。

搭建好整个系统的软硬件环境，模拟矿井坏境进行了实验，实验论证得出系统能

够保证在较低投入成本的情况下，能够得到较好的定位效果。

关键词：ZigBee 协议人员定位无线传感器网络 RSSI

ABSTRACT

It is very important that ensure the safety in the process of coal production in coal

mining. Because compared with other coal producing countries in the world, coal mine

geological structure in China is relatively complex. We often encountered many

problems in the process of mining, especially in recent years, our coal mine accidents

occurred hourly and after the accident occurred, the rescue can not be timely, brings

great loss to the national economy.

In order to solve the above problem, this paper studies a new kind of wireless

multi-hop communication technology of ZigBee, describes the characteristics of the

short distance ZigBee communication technology and its protocol architecture in

detail, had a detailed analysis of Z-Stack protocol stack. Introduces several other

wireless communication technology and compared with the ZigBee technology, obtain

the advantage of using the ZigBee communication in the mine positioning system and

demonstrates its feasibility. On this basis, using CC2530 chip as the core of the gateway

node and reference nodes, gateway nodes are the transit center of all the

nodes, responsible for exchanging data with PC monitoring software as the wired way.

The main function of reference node is to accept the command of mobile node and

returns the corresponding data and is responsible for communicating with

nearby nodes. Taking CC2530 as the core of the mobile node, according to

the positioning demand, the mobile node issued relevant command to get the required

data for positioning, then transfer obtained data information to the host computer.

Finally calculate the location of underground miners with the algorithm in PC software.

Considering the complexity of the application environment of the personnel positioning

system, adding a power amplifier chip CC2591 in each ZigBee node to improve

communication quality and distance of system.

In addition, choose Z-Stack as the software base of the mine system, each device

node code is based on Z-Stack protocol stack and continues to add the code of

the application layer. Because the location precision of RSSI is not high, so

the algorithm is improved on the original basis. At the same time, completed the

design of PC screen display of the whole system based on the C++ language, after

building the hardware and software environment of the whole system, do the

experiments in simulated environment, the experiment proves that the system can

get better positioning effect in the case of low input costs.

Key Word: ZigBee Protocol, Personnel Positioning, Wireless Sensor

Network, RSSI

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论............................................................................................................1

1.1 研究背景及意义............................................................................................1

1.2 国内外研究现状............................................................................................2

1.3 本文研究的主要内容....................................................................................3

第二章无线传感器网络及 ZigBee 技术................................................................5

2.1 无线传感器网络技术....................................................................................5

2.1.1 无线传感器网络概述 ..........................................................................5

2.1.2 无线传感器网络特点 ..........................................................................5

2.2 短距离无线通信技术及其对比 ..................................................................6

2.2.1 红外技术 ..............................................................................................6

2.2.2 蓝牙技术 ..............................................................................................6

2.2.3 射频识别技术 ......................................................................................7

2.2.4 WI-FI ....................................................................................................7

2.2.5 ZigBee 技术 .........................................................................................8

2.2.6 现有几种短距离无线通信技术对比 ..................................................8

2.3 ZigBee 无线通信技术 ...............................................................................10

2.3.1 ZigBee 协议体系结构 .......................................................................10

2.3.2 ZigBee 拓扑结构 ...............................................................................15

2.3.3 ZigBee 原语 .......................................................................................16

2.4 Z-Stack 协议栈 .........................................................................................17

第三章井下人员定位系统的设计........................................................................20

3.1 系统总体方案设计......................................................................................20

3.2 现有的定位算法及改进..............................................................................21

3.2.1 现有的定位技术 ................................................................................21

3.2.2 定位算法的改进 ................................................................................23

第四章系统的硬件设计........................................................................................26

4.1 协调器节点的硬件设计 ............................................................................26

4.1.1 ZigBee 模块和射频前端 ...................................................................26

4.1.2 网络模块 ............................................................................................29

4.1.3 电源模块 ............................................................................................31

4.1.4 其他辅助模块 ....................................................................................31

4.2 参考节点的硬件设计 ................................................................................33

4.2.1 温度、瓦斯检测模块 ........................................................................33

4.2.2 参考节点电源模块 ............................................................................35

4.3 移动节点的硬件设计 ................................................................................35

4.3.1 移动节点电源模块 ............................................................................36

4.3.2 求救按钮和报警电路 ........................................................................36

第五章系统的软件设计........................................................................................38

5.1 系统开发环境..............................................................................................38

5.2 ZigBee 组网设计 .......................................................................................39

5.3 定位过程设计 ............................................................................................40

5.3.1 网关协调器节点 ................................................................................40

5.3.2 参考节点 ............................................................................................41

5.3.3 移动节点 ............................................................................................42

5.4 环境检测和报警设计 ................................................................................43

第六章系统的调试及结果....................................................................................45

6.1 实验平台的搭建 ........................................................................................45

6.2 定位精度测试 ............................................................................................46

第七章总结与展望................................................................................................48

7.1 总结 ............................................................................................................48

7.2 展望 ............................................................................................................48

参考文献..................................................................................................................49

攻读硕士学位期间取得的成果..............................................................................52

致谢..........................................................................................................................53

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

中国的煤炭资源十分丰富，且全国各地区的分布很不均匀，2007 年中国发现

大量的能源矿产的资源储备以及 62 处大型的矿产地，其中属于煤炭[1]的大型矿地

有41 处。我国在“十一五”期间对煤炭的工业结构进行了调整，当时也是产业转

型的最佳时间。煤炭是我国最基本的能源[2]，同时占了一次能源的 70%，我国确定

的以“煤为基础、多元发展”的策略方针为中国煤炭工业的蓬勃发展打下了坚实

的基础，煤炭是一种不可替代能源。我国煤炭工业受到国民经济增长的推动将持

续保持旺盛的崛起态势，因此煤炭开采的前景还是很好的。

我国的能源现状是煤炭资源丰富，石油以及天然气匮乏，从这一现状可看出煤

炭资源对国家经济发展来说是很重要的。我国煤炭在东西部、南北部地理分布不

均导致的部分地区缺煤，同时受到煤炭工业蓬勃发展态势的影响，我国煤炭开采、

生产活动将会有大量的增加。但由于我国煤炭行业的整理的管理以及技术水平较

低、设备的落后，使得在矿井中煤矿的开采人员的安全得不到很好的保证，最近

几年以来，新闻时常报道出全国各地区煤矿的倒坍以及下沉，最重要的是矿工在

矿难发生后也大多数被困于矿井之中，由于得不到及时的救援而造成许多人员的

伤亡，同时也给国家造成了各方面的损失，所以当发生矿井事故后如何及时的保

证采矿人员的安全成了矿井系统的关键。现有的国内的一些矿井系统由于缺乏对

人员位置信息进行有效的管理甚至根本没有这些管理系统，加上煤矿中本身环境

的恶劣，往往在煤矿事故发生后不能及时掌握矿工的位置，进而给国家造成很大

的经济[3]损失和资源浪费。

我国很多煤矿开采单位与企业大多数采用的是基于传统 RFID 的煤矿开采系

统，但是由于 RFID 的技术缺点，当矿井事故发生时，系统不能够很好的获得井下

人员的具体位置信息，也就得不到及时的救援。近年来，矿工的生命安全越来越

得到国家、媒体和家属的重视，因此要提高煤矿的开采量以及保障矿工的生命安

全，良好的人员定位管理系统将会在矿井系统中发挥更加重要的作用。为此本文

旨在分析矿井下的短距离无线通信技术和现有的一些人员定位技术改善目前国内

落后的矿工定位系统，解决在矿井事故发生后救援困难的问题，以高科技、新技

术、低成本提高定位水平，利用 WSN（无线传感网络）研究出适用于煤矿井下人

员[4,5]的定位系统，准确地对井下矿工进行定位，保障井下人员的安全。

本课题采用的 ZigBee 无线传感网络，它的特点是能够自网网络、造价便宜，

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摘要保证煤炭生产过程中的安全在我国的煤炭开采中是十分重要的，因为与世界上其他产煤国相比较，我国的煤矿地理结构相对复杂，开采过程中遇到的问题很多，特别是近年来我国煤矿事故频发，且当事故发生后，往往救援不够及时，给国民经济带来了很大的损失。为解决上述问题，本文研究了一种基于无线传感器网络的多跳的通信技术ZigBee，同时详细介绍了ZigBee这种短距离通信技术的特点以及它的协议架构，具体分析了一种ZigBee协议，即Z-Stack协议栈，并介绍了另外几种无线通信技术，然后与ZigBee技术相比较，得出各自的优缺点以及本矿井定位系统中采用ZigBee通信带来的优势，论证了它的可行性。在此基础上，以C...

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