基于ZigBee的矿井安全监测系统设计

关键词：监测系统，无线传感器网络，ZigBee 技术，CC2530
中北大学学位论文
The Design of Mine Safety Monitoring System Based on ZigBee Abstract
Coal is the main energy in the energy structure of China. But accidents occur frequently in the coal mine, which have led to heavy economic losses and casualties. Because of the imperfect security system, relatively outdated technologies and devices in the coal industry, the important information can't be received in time. At the same time the system can't timely alert and adopt response measures. At present, most of the mines use the wired safety monitoring system. With the complicated transmission network, high maintenance costs and the fixed structure, the demand for dynamic changes of the underground working surface can’t be satisfied， and the blind areas appear frequently. While the wireless monitoring system is put into practice rarely. Therefore, it has been extremely urgent that we combine a stable and reliable wireless transfer way, and form a more perfect safety monitoring system to achieve real-time monitoring of the underground environment. ZigBee technology is an emerging wireless communication technology, which is short-range, low-rate, low-cost and low-power. It uses free applied 2.4GHz frequency in the world. With the strong self-organizing capacity and the high security, it is suitable for wireless sensor networks. It is proposed that a general program of mine safety monitoring system based on ZigBee wireless sensor network, which uses ZigBee technology to build a wireless sensor network. With the ZigBee protocol, we design the hardware and the software programs for the network nodes, then download the appropriate software programs to the main chip CC2530 of each node and build a network. At last, through the network system we can realize the real-time monitoring for underground temperature, humidity, gas concentration and so on. We can also set up the limit of the measured information. If the measured data by the sensor module reaches the upper limit set, the system can timely alert. Finally, in the laboratory we build a simple experimental platform of the tree network that is made up by a network coordinator, a router and two terminal nodes. A simple test verifies the monitoring system solution by network terminals collecting the temperature and the humidity in a room. The experimental result shows that the monitoring system has quick data transmission, good stability, flexible networking, low power consumption and high
中北大学学位论文 practical value. With adjusted properly, the system program can be used in different environments and achieve a real-time monitoring for much environment information.
闫洁 电子与通信工程
2013 年
5
月
26 日
图书分类号 UDC
注 1
TN925
密级
非密
全日制工程硕士学位论文
基于 ZigBee 的矿井安全监测系统设计
尹红敏 （作者姓名）
校内指导教师（姓名、职称） 校外指导教师（姓名、职称） 申请学位级别 所在领域（研究方向） 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予日期 论文评阅人 答辩委员会主席 2013 2013 年 年 年 5 5
Keywords: Monitoring system, Wireless sensor network, ZigBee technology, CC2530
中北大学学位论文
目
1 绪论
录
1.1 课题研究背景及意义 ................................................ 1 1.2 国内外煤矿安全监测系统发展及研究现状 .............................. 2 1.3 无线传感器网络的发展研究与应用 .................................... 5 1.4 论文研究的主要内容及安排 .......................................... 9
分类号：TN925
单位代码：10110 学 号：S2010z812
华 北
中 北 大 学
基 于 ZigBee 的 矿 井 安 全 监 测 系 统 设 计 尹 红 敏 中 北 大 学
全日制工程硕士学位论文
基于 ZigBee 的矿井安全 监测系统设计
硕士研究生 校内指导教师 校外指导教师 所在领域
尹红敏 王康谊 教授
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日期：
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2 ZigBee 技术
2.1 Zigbee 技术简述 .................................................. 10 2.2 ZigBee 协议 ...................................................... 11 2.3 ZigBee 协议的网络层 .............................................. 13 2.3.1 网络设备类型 ............................................... 13 2.3.2 拓扑结构 ................................................... 15 2.3.3 建立和维护网络 ............................................. 16 2.3.4 编址 ....................................................... 20 2.3.5 网络层的数据通信 ........................................... 21 2.4 ZigBee 协议的应用层 .............................................. 22 2.4.1 设备和服务发现 ............................................. 22 2.4.2 绑定管理 ................................................... 23 2.4.3 网络管理 ................................................... 23 2.4.4 OSAL 操作系统 ............................................... 24
王康谊 教授 闫洁 工学硕士 电子与通信工程 月 月 月 26 29 日 日 日
2013 年
5 月
26
日
注 1：注明《国际十进分类法 UDC》的分类
原 创 性 声 明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。
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基于 ZigBee 的矿井安全监测系统设计 摘要
煤炭是中国能源结构中的主体能源。但煤矿事故频繁发生，经济损失和人员伤亡惨 重。这是由于我国煤炭行业安全体制不健全，监测技术和设备相对落后，使得重要信息 不能快速地获得，系统不能及时地发生警报和采取应对措施而造成的。目前，大多数矿 井使用有线的安全监测系统，传输网络布线复杂，维护成本高，网络结构固定，满足不 了井下工作面的动态变化要求， 易出现监测盲区； 而无线监测系统运用到实际中的不多。 因此结合一种稳定可靠的无线传输方式，组建较完善的安全监测系统，实现井下环境的 实时监测已经追在眉睫。 ZigBee 技术是一种新兴的近距离、低速率、低成本、低功耗的无线通信技术，使用 世界通用免申请的 2.4GHz 频段。它具有很强的自组织能力和很高的安全性，非常适用 于无线传感器网络。本文提出基于 ZigBee 无线传感器网络的矿井安全监测系统的总体 方案，该系统采用 ZigBee 技术建立无线传感器网络。在 ZigBee 协议基础上，首先进行 网络节点软硬件的设计，然后下载相应的软件程序到各节点的主芯片 CC2530 中，完成 网络组建。最后通过网络系统实现对井下温湿度、气体浓度等进行实时监测。还可对被 测信息做上限值设置， 如果传感器模块所测数据达到所设值， 系统可以及时的发出警报。 本文最后在实验室搭建了一个由网络协调器、一个路由器和两个终端节点组成的树 型网络简易实验平台。本实验通过网络终端采集室内温度和湿度，来对该监测系统方案 做了简单的测试验证。 实验结果表明此监测系统数据传输快速， 稳定性好， 且组网ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ活， 功耗低，具有较高实用价值。将系统方案进行适当地调整后，可应用于不同环境，实现 对环境多种信息的实时监测。