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1、基于无线传感器网络的矿井安全监测技术与实现 分类号 TP393 密级 U D C 硕 士 学 位 论 文 基于无线传感器网络的矿井安全监测 技术与实现 学 位 申 请 人 李丰杰 学 科 专 业 计算机应用技术 指 导 教 师 徐守志 教授 二一二年五月 ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfor theDegreeofMasterofScienceinEngineering DesignandImplementationofMineSafetyMonitoring DesignandImplementation
2、ofMineSafetyMonitoring DDeessiiggnnaannddIImmpplleemmeennttaattiioonnooffMMiinneeSSaaffeettyyMMoonniittoorriinngg TechnologyBasedonWirelessSensorNetwork TechnologyBasedonWirelessSensorNetwork TTeecchhnnoollooggyyBBaasseeddoonnWWiirreelleessssSSeennssoorrNNeettwwoorrkk GraduateStudent LiFengjie Major
3、 ComputerAppliedTechnology Supervisor ProfXuShouzhi ChinaThreeGorgesUniversity ChinaThreeGorgesUniversity CChhiinnaaTThhrreeeeGGoorrggeessUUnniivveerrssiittyy Yichang443002coma May2012 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 三峡大学学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工
4、作 所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明 确方式标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 学位论文作者签名 日 期 I 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 内 容 摘 要 矿产开采过程中的安全事故频频发生造成巨大的经济损失和惨重的人员伤亡 矿井安全管理迫切需要一种易于推广成本低以及有效的监测技术实现井下环境的 实时监测功能掌握事故的规律将事故的发生率和造成的损失降到最低 矿产的开采
5、处于地下环境物理结构环境不稳定节点失效可能性大本文重点 针对节点失效问题研究了节点的部署策略因为地下与地上环境的信号传播特征有一 定的差异有必要对信号在矿井巷道中传播特性进行分析说明为了保证矿井下的安 全及监测网络状态需要对矿井下的安全环境参数及节点的运行状态进行实时查看 论文的主要工作如下 1分析无线信号在矿井巷道中的传播特性通过实验测试几种环境因素对信号 传输性能的影响程度为节点的部署提供实验依据 2对矿井巷道的特征进行总结归纳针对节点失效问题提出一种 2-连通的节点 部署策略根据巷道的几种特征分别给予相应的节点布置说明并通过模拟实验测试 网络性能 3结合 2-连通的部署策略对矿井巷道下的
6、无线传感网络进行设计并从环境参 数监测及节点状态显示两个方面设计系统的上位机软件通过模拟实验对整个系统进 行测试 本文针对节点失效问题提出一种 2-连通的节点部署策略实验测试结果表明该部 署策略提高了网络的传输性能设计了一种基于无线传感器网络的矿井安全监测系 统实验测试结果表明该监测系统能够实现参数的实时监测及节点状态的实时显示功 能 ZigBee ZigBee 关键词无线传感器网络 矿井安全监测 传感器 ZZiiggBBeeee II 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract
7、Abstract AAbbssttrraacctt Accidents occur frequently in the mineral extraction which causes huge economic losses and heavy casualties Mine safety management needs an easy promotion low cost and effective monitoring technology that can implement the real-time monitoring of mine roadway reveal the rul
8、e of the accidents reduce the incidents of accidents and economic losses Mineral extraction is in underground environment the unstable physical structure environment likely lead to node failure this paper mainly studies the node deployment strategy for the problem of node failure Because of the diff
9、erence of signal propagation characteristics between ground and underground environment it is necessary to analyze the signal propagation characteristics in mine roadway In order to ensure mine safety and monitor network state it is necessary to monitor the real-time mine safety environment paramete
10、rsand nodestateThemainworksareas follows 1 Analyzes the signal propagation characteristics in the mine roadway and gets the signal transmission performance for several environmental factors by the experimental test theresultsprovideexperimentalbasisforthenodedeployment 2 Summarizes the roadway struc
11、tural features proposes a 2-connectivity deployment strategy for the problem of node failure gets the corresponding node distribution for several typical roadway structure models and tests the network performance by the simulationexperiments 3 Designs wireless sensor networks combined with 2-connect
12、ivity deployment strategy designs the monitoring software that contains environmental parameters monitoringand nodestatusdisplay and teststheentiresystem bysimulationexperiments This paper proposes a 2-connectivity deployment strategy for the problem of node failure and the experimental results show
13、 that the node deployment strategy has improved the network transmission performance This paper finally designs a mine safety monitoring system based on wireless sensor network and the experimental results show that the monitoring system can realize real-time monitoring of environment parameters and
14、 node state Key wordsWirelessSensorNetwork MineSafetyMonitoring Sensor ZigBee Key wordsWirelessSensorNetwork MineSafetyMonitoring Sensor ZigBee KKeeyywwoorrddssWWiirreelleessssSSeennssoorrNNeettwwoorrkk MMiinneeSSaaffeettyyMMoonniittoorriinngg SSeennssoorr ZZiiggBBeeee III 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三 峡 大
15、学 硕 士 学 位 论 文 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 目 录 引 言1 1 绪论2 11 选题的科学意义及应用前景2 12 国内外研究现状2 13 论文研究内容4 14 论文组织结构5 2 无线传感器网络概述6 21 无线传感器网络特点6 22 无线传感器网络体系结构7 23 本章小结10 3 矿井安全监测关键技术研究 12 31 矿井巷道信号传输研究12 32 矿井巷道节点部署策略研究16 33 本章小结22 4 矿井安全监测系统的设计与实现 23 41 系统功能需求及总体结构设计23 42 节点软硬件模块设计25 43 系统无线传感网络设计29 44 上位
16、机系统设计32 45 本章小结35 5 矿井安全监测系统测试与结果分析 36 51 节点组网测试36 52 整体系统测试38 53 本章小结42 6 总结与展望 43 61 论文总结43 62 论文展望43 参 考 文 献45 致 谢 49 附录攻读硕士学位期间发表的部分学术论著 50 IV 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 引 言 矿山生产处在危险复杂的环境中井下作业的危险系数较高矿山企业需要面对 各种突如其来的设备故障和自然灾害近年来国家有关部门虽下大力气整治矿山安全 生产通过不断努力
17、矿山安全状况总体趋于好转但由于基础薄弱等原因生产状 况仍不容乐观矿井安全生产事故仍时有发生并且井下复杂地形给矿工撤离和事故 抢救带来了极大困难如何实现矿山管理的现代化信息化逐渐成为矿山企业关心的 问题 为有效地监测和管理矿山的安全状况采取科学系统完整的措施改变我国矿 山安全现状及落后面貌加强矿井安全生产监控技术及其方法的研究是目前矿山企 业迫切需要解决的问题建立以灾害预防事故营救电子信息化管理为主要目标的 信息智能化矿山管理体系势在必行面对现实情况为确保矿山安全高效生产和生 产过程控制与调度的自动化国外在矿山行业提出数字矿山的概念国内很多矿山企 业也都开始了数字化的改造有很多成熟的工业监测技术
18、运用到矿山企业生产中各 式各样的监控系统投入运行矿山数字化建设的步伐逐渐加快对保障矿山安全生产 发挥了重要作用 数字化矿山和矿山信息化是实现中国矿业跨越式发展可持续发展的必经之路 随着信息技术的飞速发展和无线通信技术的迅猛进步通过无线通信提供实现的功能 需求比如实时的高品质图像视频会议和视频监控等多媒体服务的需求也变得愈发强 烈而在中国矿山行业的信息化建设中井下复杂环境中的无线传输方面如何迅捷 精确完整及时地采集传输矿井下各种类环境参数并以无线传输的形式进行地面 与井下双向互通无线传输是有待解决的重要技术井下复杂物理环境中数据无线 传输技术的应用需求迫切煤矿井下人员的安全监测问题的急待解决都显
19、示出了该研 究的迫在眉睫本文设计了一种基于无线传感器网络的矿井环境监测系统可及时掌 握矿井下的环境状况该系统使得工作人员无需亲临监测区域就能远程实时地得到高 可靠性监测数据以便使工作人员能够及时对危机情况采取处理措施有效地保护井 下矿工的生命安全 1 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论 11 选题的科学意义及应用前景 我国是一个矿产资源丰富的国家但是由于矿产资源开采的环境危险复杂导致 矿井下作业的危险系数较高矿山企业需要面对各种突如其来的设备故障和环境条件 事故如瓦斯爆炸等等近年来
20、国家有关部门虽下大力气整治矿山安全生产但由于基 1 础薄弱等原因矿井安全生产事故仍时有发生 如何实现矿山管理的现代化信息 化逐渐成为矿山企业重点关心的问题为有效地监测和管理矿山的安全状况采取科 学系统完整的措施改变我国矿山安全现状及落后面貌加强矿井安全生产监控技 术及其方法的研究是目前矿山企业需要解决的迫切问题建立以灾害预防信息化管 2 理为主要目标的矿井安全监测体系势在必行 矿山的生产中要减少矿山事故必须对危险源和隐患进行监控预警变事故处理 为事故预防随时发现隐患随时进行排除实践证明任何事故的发生发展都有征兆 出现即安全状态信息这些信息大多数是可观测的有些还是可控的倘若有先进 可靠的监控预警
21、系统完全可能避免事故的发生至少能够把事故所造成的损失和影 3 响降到最低程度 为预防矿难的发生就需要提供有效的数据支持需要对温度湿 度瓦斯浓度顶板离层等各种参数进行监测 矿山的安全生产对国民经济的发展有着重要的意义它不仅关系着矿山企业的兴 衰而且关系着社会的稳定和经济的长期发展近年来我国的矿山安全生产工作取得 了巨大的成就正在稳定中呈现好转态势但形势依然很严峻灾害事故发生的势头 并没有得到有效控制矿山重大特大事故时有发生造成了严重的人员伤亡及经济 损失因此在矿山环境中采用实时有效的监测预警系统就显得极为重要 12 国内外研究现状 相对国外我国矿山安全监测技术发展应用较晚普遍采用的矿山环境监测系
22、统 都以工业总线作为基础井下监测系统与地面信息中心一般通过电缆或光纤连接构 成有线的通信传输网络这些线路需要有专业人员建立和维护4-5另外现在的一些 以无线方式传输的监测系统的功能也不完善这些监测系统的不足主要为有线通信方 式布线复杂劳动强度高同时铺设速度较慢容易在建设初期形成安全上的盲点 有线网络结构相对固定其扩展性灵活性存在不足还容易造成资源的浪费和成本 的提高监测点相对固定容易出现监测盲区工作现场的通信线路容易遭受破坏 而且破坏后的恢复周期一般较长通信线路维护成本高造成部分矿山出现边维护 边生产的违规现象甚至有些矿山干脆不维护故有线传输方式限制了监测的范围和 灵活性而单一的监测参数又给灾
23、难的预防带来很大的困难6-8目前的综合型监测 系统侧重于安全参数的监测和控制引进这些系统普遍存在着性价比过低系统 2 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 软件特别在文档处理方面不太符合中国国情等问题因此在吸收国际先进技术的 基础上我国相继出现了仿制国外的监控系统但是这些系统仍存在着不同程度的问 题9-10 l监测信息只做简单处理监控系统缺乏智能化无法由监测系统进行危险 性评价以获得最优安全生产方案 2 监测信息网络化程度不高有关科室人员不能在办公室实时浏览其监控信 息虽然新型监控系统较好地解
24、决了利用计算机网络传输检测结果的问题但是不能 远距离及时地把监控数据传给上级管理部门 3 由于传感器数量少设置地点不尽合理设置时间滞后以及监测信息不够 全面等问题目前还不能够完全依靠监测系统的信息进行安全生产管理工作还大量 地采用手工传递和处理信息 4 数据采集网络的信号传输方式采用的是有线传输由于布线不便设备安 装的局限性大等因素客观上限制了数据采集的深度和广度使得传感网络扩展性不 强数据采集的范围窄其移动性差难以实现整个矿山生产的实时监测更无法实 现故障预警功能 国外矿山生产监测监控技术是上世纪 70 年代开始发展起来的至今已经有多代 产品如果按照信息传输发生的进步来划分监控系统发展阶段的
25、基本上 5-10 年就 更新一代产品 随着以晶体管电路为主的信息传输技术的广泛应用矿山安全监控系统主要采用 频分制信号传输方式由于采用频分制导致传输信道的电缆芯数大大减少所以很快 就取代了空分制系统欧美等国的煤矿在 60 年代后期就已大量采用频分制技术其 中最具代表性且至今仍有影响的是德国西门子公司系统 集成电路的出现推动了时分制系统的应用从而产生第三代煤矿监控系统其通 信规程比较严格以时分制为基础同时抗干扰能力强结构简单并且配置灵活当中 发展较快的是英国英国煤炭研究院于 70 年代推出以时分制的 MINOS 系统开创了 煤矿自动化技术和煤矿监控技术发展的新局面直到如今尽管国内外各种监控系统尽
26、 管在功能性和产品的技术先进性上都有较大的提高但是系统的整体结构仍没有发生 太大的变化在此阶段典型系统有 MINOS 监控系统美国的 DAN6400 监控系统 德国的 GEA2MATIC 监控系统等11-12 随着计算机技术大规模集成电路技术以及数据通信技术等现代高新科技的迅速 发展形成了以分布式微处理机为核心以开发集成性以及网络化为特征的第四代矿 山监控系统系统信号的传输方式依然属于时分制范畴但用原来的时分制的特点已 不足反映它作为高新技术的特点其中包括美国 MSA 公司 DAN 系统加拿大 3 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三三 峡峡 大大
27、 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 LIANG 型系统 随着计算机网络技术和通信技术的发展国外新推出的矿井监控管理系统均采用 开放系统互连标准模型的集散系统结构监控系统由现场测控分站以及控制中心主站 组成系统支持多种网络互连标准方便地组织多节点的系统监控网络实现系统间 的数据通信和数据共享安全监测系统可由原来单一的监测监控向综合自动化方向发 展13-14目前国外已投入使用的井下安全监控无线传感与通信系统主要集中在以下 几个方面 1对人员和设备的位置监控这类系统多数采用射频识别技术或者借鉴 RFID 的思想来实现的在矿井内以一定的间隔布置固定的射频接口设备当佩戴射频发射 器的人员或者设备
28、进入固定射频接口设备的有效无线通信范围内射频接口设备读取 移动目标的 ID代码并将该信息传送至监控中心实现对移动目标的定位和跟踪 如美国安菲斯公司研制的 TT井下人员跟踪系统 2应急救灾通信抢险救灾时在井下建立临时无线基站实现救援队员与指 挥中心的通信如美国安菲斯公司研制的 PED井下无线通信与救急系统 3 调度和通信将地面蜂窝移动通信技术移植到矿井下用微小区的概念将 井下巷道进行划分利用双工无线电通信系统实现移动语音通信如英国 DAC公司 的紧急报警通信系统波兰 EMAG广播通信系统 13 论文研究内容 本文从监测系统的自动化传输系统的无线网络化系统设计模块化等角度出发 提出了采用传感器节点
29、监测ZigBee 协议组网传感器节点覆盖等技术构建矿井无 线监测系统的方案无线的监测方式解决了布线难的问题实现无人值守24 小时 连续工作采集数据实时传输到监控终端使远程监控终端可随时了解监测区域的状 况 拟设计的矿井安全监测系统总的来说由参数监测系统信息传输系统和上 位机监控系统三部分组成参数监测系统采用先进的无线传感网络技术来实现 无线传感网络节点包括传感节点和汇聚节点传感节点需要采集矿井下的温湿度等参 数信号并采用自组织多跳路由无线 RF Radio Frequency射频 通信方式把数据传 输到汇聚节点汇聚节点将通过信息传输系统向外界发送监测信息信息传输 系统是通过布置在主巷道内的无线
30、网络接收各巷道口汇聚节点的数据然后传送至 井上的控制中心通过此方法来构建参数监测系统到上位机监控系统的数据 传输上位机监控系统负责接收解析系统监测到的数据进行相关分析后显示在 屏幕上 整体研究内容是在矿井中建立一个基于无线传感器的监控系统包括传感器节点 4 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 的参数采集传感器节点在矿井中的布置通信协议的选择整个传感器网的拓扑 信息的路由监测软件的设计以及对参数的分析等系统开发中涉及的一系列流程 14 论文组织结构 第一章介绍了选题的科学意义应用前景和矿井监测
31、系统的国内外发展现状对 论文的主要研究内容进行了说明 第二章主要是对无线传感器网络技术的概念特点及体系结构进行了说明其中 通过几种无线通信协议的对比分析选择 ZigBee 协议作为本课题的无线传感器网络协 议 第三章主要是针对矿井监测的几项关键技术进行了研究分为两个方面一个是 矿井巷道下信号传输性能的研究说明并用几组实验测试说明了几种环境因素对信号 传输性能的影响另一个是提出了一种针对矿井下巷道结构的节点部署策略并通过 模拟实验及仿真对该节点部署方案下的网络性能进行了对比测试 第四章主要对矿井安全监测系统进行了设计与实现针对矿井安全监测的需求提 出了系统的整体设计方案对节点的软件硬件模块进行了
32、简要的分析设计针对矿井 巷道的结构环境对无线传感网络的工作状态进行了相应的分析说明最后设计了针对 矿井巷道环境监测的上位机软件分别对各个模块功能进行了分析设计 第五章主要是对矿井监测系统进行了测试与分析首先对两个节点进行了点对点 的组网通信实验说明系统实施的可行性接着对监测系统进行了整体测试并采用 上位机软件实现了矿井环境及节点状态实时监测的功能 第六章对全文进行了总结与展望 5 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 三三 峡峡 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 无线传感器网络概述 无线传感器网络wireless sensor networksWSN是当前国际上的一个热点研 究领域综合了多学科领域的知识无线传感器网络中的传感器节点通过自组织的方 式形成一个传感网络将采集的信息以多跳的网络方式传送至汇聚节点协调器节 点汇聚节点将数据通过卫星或有线网络的方式传送给用户完成对监测区域的监 测任务 21 无线传感器网络特点 无线传感器网络通过各种不同功能的微型传感器节点协同完成对监测区域中
