矿井下的人员信息采集系统设计

摘 要我国的煤炭储量十分丰富，煤炭在我国能源体系中占有很重的地位。但是我国煤矿自然条件复杂，现有的煤矿环境监测系统不足以保证煤矿的安全生产。煤矿监测系统的落后在数据采集上表现在监测参数单一，在传输方式上表现在有线传输方式布网不灵活，网络维护开销大。在有线监控系统的基础上进一步融合基于无线传感器网络的多参数监测系统，构成煤矿安全监测无线与综合信息系统，将极大地提高煤矿环境监测与预警水平。正是在这种背景下，本文提出一种适合于煤矿环境监测的多参数监测无线传感器网络。本文首先对无线传感器网络的结构、分层模型和关键技术进行了介绍。并指出具有低功耗、通信可靠、网络的自组织、自愈能力强以及成本低廉等特点的ZigBee技术非常适合应用于矿井环境监测的无线传感器网络。矿井下的环境监测网络的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。本论文的主要内容是对便携式传感器节点进行硬件设计，并实现节点间的通信。硬件设计主要介绍了传感器网络系统通常包括的传感器节点、汇聚节点以及其他一些外围电路的芯片的选型以及设计方法。在软件设计方面，介绍了Zigbee软件开发平台IAR和基于ZigBee2006协议栈库的ZigBee环境监测网络节点的软件设计。本文所构建的矿井下人员信息采集的ZigBee无线环境监测网络可自动组网，数据自动上传，监测点数量、位置可随时变化，实现了多节点、多参数的数据采集，弥补了现有监测手段设备复杂，在监测区域需大量布线、需建设大量基础设施，监测点位置不易变化，对突发事件无能为力等不足，为环境监测提供了一种新的方法。关键词：煤矿； ZigBee；无线传感器网络；CC2430；人员信息；ABSTRACTThe reserves of coal are rich in our country and coal plays a very important role in the state resource system. But the natural conditions of coal mine in our country are complicated, whats more, the existed coal mine environment monitoring systems are behindhand, which presents in two aspects. The first one is in flexible wired transportation network limiting monitoring scope and the other one is most of the system can only monitoring one parameter, Both of them result in many Production threats. Therefore, WSN(wireless sensor network)for coal mine environment multi parameter monitoring is proposed.The WSN is deeply discussed in the paper including the network structure, layer model and some key technologies. ZigBee is a typical WSN protocol that has a lot of unique such as low power consumption, reliable data communication, ad-hoc and low cost.There are two parts in the design: hardware design and software design. In the hardware design, different hardware modules are described in detail including the microprocessor, sensor and antenna. In the software design, monitoring software and nodes firmware are discussed. The whole system can work reliably.Temporary installation is supported by This ZigBee monitoring Network. Multi-node, multi-Parameter data collection is achieved with automatic network setting up, and data transmission automatic. Its flexibility allows network nodes to be adding, removing or changing in position easily. Because of the needs of complex equipment, a lot of cabling, and large infrastructure makes the existing measure of environmental monitoring inability for unexpected events, and difficult to move nodes Position. As a new approach for environmental monitoring, this ZigBee network can offset these insufficiencies.Key Words: Coal mine; ZigBee; Wireless sensor network; CC2430; personnel information;目 录第1章 绪 论11.1课题来源11.2 研究背景及意义11.3 国内外研究现状21.4本文主要研究内容4第2章 矿井人员信息采集系统的总体设计方案62.1无线传感器网络简介62.3系统的总体设计13第3章 系统节点硬件设计173.1传感器网络节点硬件总体设计173.2射频模块CC2430的分析与应用183.3主要传感器选择243.4电源模块的设计273.5天线模块的设计283.6声光振动报警电路293.7 RS-485串行接口电路303.8硬件抗干扰设计31第4章 系统的软件设计344.1软件总体设计344.2 Zigbee协议标准364.3系统的软件开发环境464.4 ZigBee网络终端节点的软件设计484.5 ZigBee网络汇聚节点的软件设计524.6 RS-485串口数据收发56第5章 总结与展望595.1本文工作总结595.2未来研究展望59参考文献61致 谢63附 录164附 录266外文资料67中文译文71文档由本人精心搜集和整理，喜欢大家用得上，非常感谢你的浏览与下载。凡本厂职工应热爱电厂、热爱岗位、热爱本职工作，发扬“团结务实、争创一流，立足岗位，爱厂敬业，尽职尽责，不断提高工作质量和工作效率，圆满完成各项生产和工作任务，为华能的建设和发展作出贡献2019整理的各行业企管，经济，房产，策划，方案等工作范文，希望你用得上，不足之处请指正第1章 绪 论1.1课题来源 我国的煤炭储量十分丰富，煤炭在我国能源体系中占有很重的地位。近年来，随着对煤炭需求的高速增长，煤炭工业也得到很大发展，但是煤矿重大、特大事故时有发生，仍未实现对灾害事故的有效控制。矿井下环境是非常复杂的，矿井巷道内的风速、温度、湿度、煤尘、各类气体含量、矿井水对矿井下工作人员的健康乃至生命安全有着重要的影响。而且现有的井下环境监测系统，多采用有线技术进行网络组建。这类方案的特点是扩展性能差，布线繁琐，需要在矿井内设通信线路, 传递监测信息生产过程中矿井结构在不停变化, 加之有些坑道空间狭小, 对通信线路的延伸和维护提出了很高的要求。一旦通信链路发生故障, 整个监测系统就可能瘫痪，而且采用硬线连接，线路容易老化或遭到腐蚀、磨损故障发生率较高，误报警率高。我国煤矿自然条件复杂，现有的煤矿环境监测系统不足以保证煤矿的安全生产。煤矿监测系统的落后在数据采集上表现在监测参数单一，在传输方式上表现在有线传输方式布网不灵活，网络维护开销大。在有线监控系统的基础上进一步融合基于无线传感器网络的多参数监测系统，构成煤矿安全监测无线与综合信息系统，将极大地提高煤矿环境监测与预警水平。正是在这种背景下，本文提出一种适合于煤矿环境监测的多参数监测无线传感器网络。1.2 研究背景及意义 在经济全球化的浪潮中，能源仍然是经济、社会进步的主要物质基础。我国是产煤大国，己探明储量为114.5G吨，煤炭作为我国的主要能源，占一次能源消耗构成比例的75%。由于煤炭工业的基础地位，实现安全、高效地可持续发展是中国实现经济重大战略目标的可靠保证，对中国现在及其未来的国民经济发展起决定性作用，要确保煤炭产业健康有序的发展，矿井安全必须得到保障。一方面，由于煤炭开采属地下作业，生产环境恶劣，生产过程复杂，受到水、火、瓦斯、煤尘等多种自然灾害的威胁；另一方面，在煤炭资源特殊的生产环境中，矿井地下生产作业的人员集中、各种设备的交互使用的特点以及井下通信的多样性和随机性使井下作业和井上调度的通信困难程度进一步加大，致使煤矿生产问题较其他行业更重要、更复杂、更难解决。目前，我国煤矿安全技术与装备水平低，事故隐患多、矿井防灾和抗灾能力差，作为煤矿安全生产最重要保障之一的煤矿监控系统，在向构造统一、优化、共享、基于光纤传输的煤矿综合调度信息系统方向的努力已取得了明显的成效，其中所涉及的理论问题与关键技术已基本得到解决。煤矿安全生产的另一重要保障就是全矿井无线信息系统，由于煤炭开采主要以井下为主，巷道可长达数十千米，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，事故隐患极大，矿井生产的这种特点对建立一个功能较为完善的集调度移动通信、机车的无线定位和导航、人员定位与追踪、无线可视多媒体监视、移动计算、矿井环境无线安全监测的全矿井无线信息系统有着迫切的要求，与有线矿井监测，监控系统不同。电磁波在矿井巷道中传播衰耗严重，无线通信距离短，成为制约有效实现矿井巷道中无线通信的瓶颈，因此如何从根本上解决这一问题是有效建立全矿井无线信息系统的关键。 煤炭是我国最为重要的能源资源，煤炭生产的安全事关重大。我国煤矿安全生产面临着非常严峻的形势，而广泛应用信息技术是加强和改进煤矿安全生产工作的有效手段，推广煤矿行业信息技术应用己刻不容缓。同时煤矿信息化也给信息产业提供了新的发展机遇，是信息产业改造传统产业的极好结合点。本课题研究有利于煤矿监控系统网络的信息集成，煤矿企业的信息化，推动我国煤矿安全监测监控系统进步，进而为我国煤炭行业信息化奠定一定的基础。也要明确实施信息化是改变我国传统煤炭工业劳动效率低、技术装备落后、安全状况差的现状，规范企业内部管理，建立健全先进的管理手段和制度，提高企业竞争能力，实现长远发展的必要手段和基本保证。原国家经贸委在用高新技术和先进适用技术改造提升传统产业的实施意见中指出，煤炭行业有三个重点，其中之一就是推广应用信息技术。因此本课题对煤炭企业信息化建设，以先进的管理思想为指导，以成本控制为核心，以信息技术为支撑，实现煤炭企业数字化的生产经营管理模式，实现企业经营运作的高效率和高效益的都有十分重要的意义。目前我国煤矿井下环境检测多为分散、独立的传感器，且是布线方式居多，不能同时实时地监测矿井多个工作区的实时环境参数，并需要人员携带各种探测器进入现场监测后，才能得到矿下的各种信息，使用起来极不方便。而且矿井下工作面是不断变化的，需要各类探测器也能够随作业面的移动而移动，如果检测系统使用有线传感器网络，需要不断的调整传感器的位置，需要繁琐的拆卸、安装、调试、校准，而且由于采煤工作面的特殊性，信号线极易损坏，使用很不方便。鉴于以上情况，构建具备自组织、自修复能力的煤矿环境监测无线传感器网络，将有助于提高矿井的抗灾害、事故能力，对减少或避免矿井瓦斯灾害等事故具有十分重要的意义。无线传感器网络是一种实时监测的无线传感器网络，它通过众多传感器节点作地实时监测、感知和采集井下瓦斯浓度等信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。1.3.1国外概况在国外，二十世纪60年代以前，就己经存在多种形式的监测监控系统，经历了几个阶段的发展。最早期的是使用继电器用于扫描、报警及模数转换。随后第二代是在六七十年代占主导地位的4-20mA等模拟仪表测控系统，其显著缺点是:模拟信号精度低，易受干扰。第三代是后来产生的集中式监测系统，这类系统采用单片机或微机作为监测器，它们是整个监测系统的大脑，负责所有数据的集中采集、处理、分析及报警等。 矿井安全监测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。继五十年代采煤机械化的出现，引起煤炭工业第一次技术革命之后，从六十年代初期，国外就已经开始对环境参数的监测进行了研究。早期的监测系统一般是为井下某一生产环节或某一监测目的而设计的，系统的容量不大。七十年代由于小型和大型计算机的出现，加上新的数据传输和处理技术在煤矿监测系统中的应用，使得德国、美国，英国的监测系统己取得很大进展，近年来各国的监测系统己逐渐从单独的生产监测与安全监控转变为一个综合系统，英国、美国、日本和德国都在不同范围和程度上有所发展和应用。英国现已发展成为适应煤矿各种生产，安全环境的监测和控制而设计一套标准的地面硬件和软件。系统地面设备由计算机、操作台、打印机，屏幕等组成，可对沼气，风速，风压，一氧化碳、扇风机和局扇等的情况实施连续监测，可连续监测128个点，传输距离可达20千米，其标准软件，键控和操纵台显示屏等可进行显示，制图、表、曲线并能根据工作需要进行储存，打印，记录等功能。美国于1978年开始研究SCADA系统主要用于井下设备工况和环境参数的监控。由于美国矿井条件的特殊，机械化程度高，监测系统发展又较晚，总的来看尚处于发展初期。日本矿井少，各矿的监控系统都无定型产品，主要检测对象为瓦斯，一氧化碳，硫化氢，风速，温度，粉尘等；波兰和法国目前用于集中监控瓦斯系统有CTT63140VP，CMM20型CMC-1型等几种，除能监测瓦斯外，还可集中监控一氧化碳，温度，压力等。而德国是发展煤矿监控技术较早的国家之一，有许多自动化装置在井下得到应用，煤矿自动化水平较高。1.3.2国内概况国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代，我国起步较晚，始于20世纪70年代和80年代，美国、法国和英国等先后研制应用了多种型号的矿井监控系统，其中有代表性的一些系统已先后引入我国。20世纪80年代后，我国先后从国外引入数十套监控系统，如美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TF20系统、法国的CTT63/40系统、加拿大的森透里昂系统。我国的煤矿安全监控技术和国外相比还有一定差距，仍处于引进和研制阶段。现发展了瓦斯断电装置，预防瓦斯爆炸，同时也发展了以测定沼气为主的瓦斯遥测系统。近几年我国计算机化的安全监控也有了较大的发展。羊场湾煤矿使用的综合自动化监控系统是由西安交大博通技术服务公司，与宁煤集团合作设计与开发的，采用了世界最先进的软件和网络设计:羊场湾煤矿地面10OM西门子工业以太网；西门子PROFIBUS现场总线的井下控制系统；上位机软件使用世界排名第一的IFIX。随着计算机技术在安全管理领域的应用，我国安全监测系统在硬件设备不断完善的同时，配套的软件系统也不断取得新的进展，如我国自主开发KJ系列在国内矿井进行了广泛应用，为我国煤矿安全生产起到了重要的作用。总体来看，当前我国煤矿行业信息化水平仍然较低，信息技术应用不平衡，由于煤矿长期粗放经营和国家在煤矿信息技术应用上投入不足，适用于煤矿井下的信息技术、电子信息产品和信息系统的研发及产业化水平非常落后煤矿井下安全生产的技术支撑保障较为脆弱，这在一定程度上制约着煤矿安全生产工作。从系统集成来看，有关生产、管理的自动化与信息化水平相对较低;从产业角度看，目前煤矿行业安全生产软硬件研发和服务保障系统相对滞后，研发力量薄弱，适合煤矿行业特点和需求的软硬件与电子专用设备、仪器目前仍比较缺乏，还难以满足煤矿安全生产的需求和技术升级的需要。随着计算机网络技术、通信技术和智能控制理论的迅速发展，煤矿监测系统也由初期封闭的、不具可互操作性的、造价高的专用监测系统逐渐朝着低成本的智能化、网络化监测系统方向发展。参考文献1 孙利民.李建中.陈渝等.无线传感器网路.北京：清华大学出版社，2006.2 李文仲.段朝玉等.ZigBee2006无线网络与无线定位实战.北京：北京航空航天大学出版社，2008.1.3 Moise N, Delisle G Y. Geolocation in underground mines using wireless sensor networks. 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The wireless sensors distributed in the environment can achieve the intelligent gas monitoring system. Apply with multilayer data fuse to design working tactics, and import the artificial neural networks to analyze detecting result. The wireless sensors system communicates with the control center through the optical fiber cable. All the gas sensor nodes distributed in coal mine are combined into an intelligent flexible structure wireless network system, forming coal mine gas monitoring system based on wireless sensor network. Keywords】 gas；communication system；wireless sensor network；data fuse；artificial neural networks；IntroductionWith continuous enlarging of exploiting scope and extension of depth in coal mine , more and more gas is released. The number of persona1 injuries and deaths caused by the gas explosion is increasing year by year, so it is very important to control the gas accidents for achieving the safety in process of coal mine, and the development sustained and the healthy of coal industry. It is the basis of all safety process in coal mine to inspect the gas concentration, that is to say an advanced and intelligent gas inspecting network should be developed, the wireless monitoring system for coal mine environment and the information platform for disaster warning should be established, As well as setting up the Gas Monitoring System on the basis of wireless sensor network underground. 1. Model of wireless sensor network of coal mine gas monitoringAt present, the coal mine gas monitoring system is generally composed by the monitoring sensor, underground substation, information transmission system and surface centre. The junction between the underground substations with the surface centre compose of the information transmission system directly effect on the transmission quality of information and investment cost of the system, The information transmission system Can be divided into three kinds by the structure：radial, circular an tree. The tree system is widely used by most of the coal mines at present, applying with one substation to be joined with several monitoring signals, so as to reduce the system branch and as near as possible to join the system cable which comes from the surface center with the underground substations at the condition of equal monitoring capacity. In the design of wireless communications, the existing optical fiber communication system can be regarded as the trunk of tree, and the respective substations under the mine are replaced by host node of wireless communication system, each host node is joined with several subnodes and together with its subnode formed a group. The gas monitoring wireless communication system in mine tunnel does a new kind of gas monitoring system, which is presented by combining the underground, exist optical fiber communication system with the wireless gas sensor network. 1.1Layout of wireless sensor networkThere are some characteristics of sensor, including inspecting and signal reception, handling, judging, controlling of inspecting system switch and transmitting, as well as the characteristic of controlling the inspecting system switch according to the signa1. Thus each sensor is nominated as sensor node in the multi-sensor system . 1.2 System structure design in the sensor nodeThe system require that at the inner side of sensor node has the functions of storing, analyzing and making decision, the inspecting data and adjudging and analyzing result of each node in the group can be transferred by one another, the communication manner run as the synchronous mechanism. Based on the above the author presents follow sensor node model. 1.2.1 Memory moduleThe sensor with storing function should be adopted in the partitionedarea treatment for storing the inspecting data from other group and transferring, and simultaneously need to store other sensors data of this group for making a decision that whether the inspecting system of this sensor has been opened or closed. All of these constitute the storing system of sensor node. Another important function of storing system is that the historical data inspected by inspecting system of storing this sensor node may be compared with current inspected gas concentration, then come into the gas effusing rate nearby this sensor node. 1.2.2 Communication moduleThe communication system has the functions of sending and receiving the signals. The data that required to be inspected in the multi-sensor network system of underground gas inspecting is the gas concentration in the node of sensor and the gas effusing rate in this node；moreover, the multi-sensor system has to be added with serial number of sensor node during transmitting the signal. 1.2.3 The module for inspectingThe gas of asymmetric diatomic and polyatomic molecule(such as CH4, CO, H2, SO2, NO and C02, etc). All have the characteristic absorption peak in the infrared band；when the infrared radiation goes through the examined gas, the molecule will absorb the light energy, and the absorption of infrared radiation follows the Lambert-Beer relation ： is the intensity at wavelength observed after propagation through a length 1 of the absorbing medium; is the incident intensity of the light; K is the spectrum absorption coefficient; L is the length of air chamber; C is the concentration of absorbing gas. 1.2.4 Analysis and decision moduleRelying on the condition that the gas concentration is lower than the alarm setting, it will make a decision underground not to turn on the signal transmitting, whether the signal transmitting will be turned onof depending on the gas concentration and change rate of gas concentration(it indicates the gas effusing rate)to make a decision. 1.2.5 Energy management of wireless sensor networkAt present, the energy conservation strategies mainly include dormancy mechanism, data fusion, conflict avoiding and error correction as well as multi-hop short-range communication and so on. They are being used in each link of calculation module and communication module. 2. The implementation of wireless sensor gas monitoring network system2.1.1 The hardware development of gas monitoring node of wireless sensor networkThe infrared gas analyzers will be adopted, and inspecting principle is different gases towards infrared light have different absorption spectrum an d the absorption strength of characteristic spectrum of some kinds of gas related to its gas concentration, thus the use of this principle may measure a certain gas concentration. 2.1.2 The hardware implementation of wireless sensor nodeSIAM S.1.0 is a kind of sensor node of universal, low cost an d 1ow power consumption that was developed by Shenyang Automatic Institute of Chinese Academy of Sciences, an d providing a flexible hardware environment for the communication agreement an d application an d research of wireless sensor network. 2.2 The software development of gas monitoring node of wireless sensor networkMID04 intelligent infrared methane sensor through the software design makes it to be the intelligent sensor node, the main programmer design is carried according to the characteristic of hardware, applying the modularize program method and entirely programming with C language. 3. Conclusion and expectationThis research converts the existing coal mine gas monitoring communication system to wireless communication system, which completes the network a1teration of single un it infrared gas inspector, and makes the traditional infrared inspector under the ground to be the intelligent gas inspecting node with self-powered and self-decision. For applying the wire . less sensor network technique to gas monitoring, greatly increases the i