基于Zigbee的煤矿井下人员定位系统设计

论文总字数：20792字

摘 要

为了了解井下工作人的实时位置，保证工作人员的人身安全，设计了基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统。利用定位分站以及无线传感网络对井下人员进行定位。利用无线网络传输定位分站收集的ID。一方面了解井下工作人员工作情况，另一方面了解了工作人员实时位置，对实施及时救援提供帮助。此定位系统适合各种不同的煤矿坏境。

关键词：ZigBee技术；定位分站；无线传感网络

Abstract：In order to understand the real-time location of underground work, ensure the personal safety of workers, the design of the coal mine personnel positioningsystem based on ZigBee technology. To locate the underground personnelpositioning based substation and wireless sensor network. By using the wireless network transmission locating substation ID collection. On the one hand to workunderground staff, on the other hand the real-time position of staff, to help the implementation of timely rescue. The positioning system is suitable for different kinds of coal mine environment.

Keywords：ZigBee technology;locating station;wireless sensor netrork

目 录

1 绪论 5

1.1 ZigBee背景与展望 5

1.2 ZigBee在煤矿井下人员定位中的重大意义 5

1.3 本论文的主要内容和结构 6

2 ZigBee技术 6

2.1 ZigBee技术简介 6

2.2 Zigbee技术的特点 7

2.3 ZigBee协议与其它无线通信协议的比较 7

2.4 ZigBee协议 9

2.4.1 IEEE 802.15.4标准 9

2.4.2 物理层（PHY）规范 9

2.4.3 媒体介质访问层（MAC）规范 10

2.4.4 网络层（NWK）规范 11

2.4.5 应用层 （APL）规范 12

2.5 基于RSSI的定位 12

2.5.1 基于RSSI定位的基本原理 13

2.5.2 RSSI算法的改进 14

3 系统硬件环境 15

3.1 ZigBee无线子网络 16

3.2 光纤传输网络 16

3.3 CC2530芯片 17

3.4 ZigBee定位终端的设计 18

3.5 ZigBee路由器的设计 19

3.5.1 CC2591模块 20

3.5.2 电源模块 21

4 系统软件环境 23

4.1 ZigBee开发软件平台 23

4.2 ZigBee2007协议栈工程 24

4.3 协调器软件设计 26

4.5 终端盲节点软件设计 28

4.6 ZigBee无线通信测试 28

5 总结与展望 30

结论 32

参考文献 33

致 谢 34

附录 35

1 绪论

近年来，随着煤炭需求量的增加，煤矿安全要求也在增加。国家对煤矿安全的要求也越来越高。近几年的矿难事故让人们痛心不已，事故发生后无法及时准确定位矿井下的工作人员，导致救援困境更让人们扼腕叹息。

基于ZigBee的人员定位系统更能有效的避免和解决不必要的问题。煤矿井下人员定位系统的设计采用了最新的无线通信技术能够实现精确定位，不但能在矿难的发生起着非常重要的作用，而且对平时管理也起着重要的作用，是煤矿企业的安全管理的急救品，因此此设计有很好的市场应用前景。

1.1 ZigBee背景与展望

由于已有无线通信技术中功耗大、组网规模小、通信协议过于复杂等问题，IEEE成立802.15.4工作小组，在Home RF Lite无线网络的基础上开发802.15.4协议。在2001年,Zigbee Alliance（ Zigbee联盟 ）成立，随后国外很多的公司不断加入，使ZigBee迅速得到发展。 Zigbee协议在2003年正式问世，到2004年,Zigbee V1.0诞生，但这个时候的ZigBee只能组成星状网和树状网稳定性极差，不能满足市场的需要。为此在从2006年到2007年，相继推出了ZigBee2006、ZigBee2007以及ZigBee Pro。目前该联盟已经包含超过了150多家会员并在不断发展壮大，涵盖工业、智能家居的低速无线通信领域。

国内对ZigBee技术的研究起步较晚，现在国内自主研制的ZigBee产品还不是很多，只是在期刊杂志上有一些研究性的和简单的应用文章，但是现实应用领域的需求非常广泛。比如工业、农业和商业，消费电子，PC机的外围设备，个人健康监护，玩具和游戏，家庭自动化。

ZigBee数据速率比较低，在2．4GHZ的频段只有250kb/s，它与市场上已经存在的无线通信技术之间不是竞争关系，而是相互促进。ZigBee技术非常适合应用于物联网中，在国家的十二五计划中，物联网技术已经被纳入其中了，所以在未来的几年中，ZigBee技术将会是各大研究机构和生产公司研究和开发的热点技术。

综上所述，ZigBee技术在国内发展前景和市场空间是非常广阔的。

1.2 ZigBee在煤矿井下人员定位中的重大意义

我国在整个世界中属于产煤大国，煤炭消费是我国目前必不可少的消费。目前我国煤炭生产的安全问题面临严峻的形势，由于我国大多数煤矿分布在地表下较深的位置，必须采用井下采掘。煤矿开采的深度也越来越大，随着矿井的加深，井下挖煤通道及地形的复杂而交错。这样给井下人员与地表人员的通信带来了很大的问题^[1]。由于中国矿井技术的落后，瓦斯爆炸时有发生，当发生事故时井下人员的情况不是得知，以及不能准确的定位工作人员的位置，导致了救灾的困局。然而ZigBee给人们带来了希望，他能够帮助人们有效地解决上述问题。ZigBee应用于煤矿井下人员定位有以下几个特点：

1. 费用低：ZigBee的协议是免费的，无专利费，并且集成度较高，成本低。
2. 节约电量：因为 ZigBee的睡眠/唤醒时钟周期很短，所以收发传输据的功耗较低。两节五号的电池最长可供其工作2年之久。
3. 可靠性高：ZigBee采用了带有避免冲突的载波侦听多路访问方法，即CSMA/CA，可保证数据的可靠性，于此同时为了解决数据与数据之间的矛盾，Zigbee为个别的服务留下了时隙。

1.3 本论文的主要内容和结构

本文的主要研究内容是将ZigBee技术用于煤矿井下人员的定位。该设计从ZigBee的基本概念出发，详细分析了ZigBee在无线通信中的特点，然后从硬件电路和软件网络分别进行讨论设计，最后根据其安全性得出最终设计结果。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：20792字