论文总字数：21774字

目 录

1　绪论 3

1.1　论文背景及意义 3

1.2　安全监控系统研究现状 3

1.3　论文研究的主要内容及安排 4

2　相关技术研究 5

2.1　无线传感器网络简介 5

2.2　无线传感器网络的发展现状和应用前景 5

2.3　ZigBee技术简介 6

2.4　几种短距离无线通信技术的比较 7

2.5　ZigBee协议 9

3　系统总体设计 10

3.1　系统需求分析 10

3.2　系统总体设计 10

3.3　软硬件设计要求 11

4 硬件设计 12

4.1　微处理器模块设计 12

4.2　数据采集模块设计 13

4.2.1　温湿度传感器DHT11 13

4.2.2　瓦斯传感器MQ-5 15

4.3　无线通信模块设计 15

4.3.1　CC2530射频芯片 15

4.3.2　串口转USB模块设计 16

4.3.3　供电模块设计 17

5　软件设计 18

5.1　软件开发平台简介 18

5.1.1　IAR Embedded Workbench编译器 18

5.1.2　LabVIEW 19

5.2　软件程序设计 21

5.2.1　发送数据 21

5.2.2　AD转换 21

5.2.3　湿度处理^[23] 21

5.2.4　终端节点程序 22

5.3　上位机设计 22

6　系统测试及结果分析 25

6.1　系统测试 25

6.2　测试结果分析 27

7　总结 29

参考文献： 30

致谢 31

基于无线传感器网络的矿井安全生产监控系统

印竟菲

,China

Abstract:Coal is the main energy of our country. Because of the bad environment of coal mine and the accident, this paper designs a mine safety monitoring system based on wireless sensor networks.After comparing all kinds of short distance wireless communication technology, we choose the ZigBee wireless communication technology and uses the CC2530 chip in the ZigBee radio frequency module.According to the requirements of low power and high stability, the design of the system selected the DHT11 temperature and humidity sensor and MQ-5 smoke sensor to detect the most important factors in the mine including temperature, humidity and gas concentration.The system uses MSP430F149 single chip microcomputer as terminal node.I use IAR Embedded Workbench and LabVIEW as compiler.Finally, a monitoring system is designed, which has the functions of analog quantity, switch quantity, accumulated quantity acquisition, transmission, storage, processing, display, alarm, control and so on.

Key words: Wireless Sensor Networks,ZigBee;Security monitoring

1　绪论

1.1　论文背景及意义

我国是能源消耗大国，煤炭在我国的能源结构中占有重要地位。长期以来，煤炭对我国的经济发展做出了巨大贡献，包括山西、陕西、内蒙古、贵州等省都一定程度地依靠煤炭产业发展经济。

根据《中国煤炭工业发展报告》，2010年，全国煤炭产量32.4亿吨，比2005年增加8.9亿吨。与此同时，安全生产形势持续变好。2010年，煤矿事故死亡人数达到了2433，其中，煤矿瓦斯事故死亡623人，比2005年下降71%^[1]。但是安全生产形势依然严峻，据报道，2015年截至9月27日，全国就发生了256起煤矿事故，死亡420人。

煤矿开采是地下作业，环境条件复杂，与一般地面工业相比，具有特殊危险和更多有害因素。煤矿中的有害因素会随工作地点和条件的变化产生或消失，而有些危险因素仅靠感官不易察觉，需要专业设备检测才能发现，一种事故的发生也可能会引发另一事故。煤矿主要事故包括瓦斯爆炸、火灾、水灾、粉尘、中毒和窒息^[2]。

煤矿事故频发的主要原因有^[3]：(1)监测危险有害因素能力差；(2)煤矿中各种类型系统信息不通。矿井安全监控系统对煤矿安全生产具有重大影响，掌握着矿区的经济命脉。

1.2　安全监控系统研究现状

20世纪末以来，计算机技术、通信技术和微电子技术迅速发展，许多国家应用这些技术，开发了集语言、数据、图像于一体的矿井综合自动化监控系统，包括监测、控制、通信功能、无线接入技术。系统还兼容各种专用监控系统功能，覆盖了全矿井范围，实时监测矿井环境参数，监测设备工况，实现了煤矿生产自动化。发展到现在已经有了很多成熟的产品，如MSA公司生产的DAN 6400系统。

1983年～1985年，我国为了解决矿井安全问题，保证安全生产，先后引进了数十套不同型号的煤矿安全监控系统。1985年以后，通过自主研究，我国研制出了KJ4、KJ66、KJ70、KJ75、KJ80、KJ90等多种矿井安全监控系统，可适应多种情况。目前存在的安全监控系统有30多种，看起来种类很丰富，但还存在着很多问题，包括通用性差、兼容性差、智能程度低等[4]。

目前的煤矿安全监控系统主要有以下问题：

1、现有煤矿安全监控系统大多针对某一特定对象开发，通信协议和传输设备物理层协议缺乏统一的标准，监控软件也是为特定目标开发。这造成了：1）设备、配件兼容性差，2）系统扩展和升级能力差，3）系统可靠性低实用性差，4）缺少监控能力。

　2、.系统不够智能，缺少远程智能诊断、维护和决策功能，只能实时监测对象，产生故障时还需要靠人工进行分析、判断，无法自己判断并预报事故，也不能很好地存储历史数据进行事故分析。

　3、目前的矿井安全生产监控系统大多采用有线的通信传输构建监控安全系统。但是矿井生产地形复杂，有线传输难以布线灵活性不高，不能有效覆盖。同时矿井环境特殊，含有大量有害性气体与腐蚀气体，容易对线路造成腐蚀伤害，有线传输不能保证稳定性。矿井中的煤矿开采是不断推进的，一旦改变开采计划，线路也需要随之变化，扩展性差。另外，有线传输还有成本昂贵、难以维护等缺点，因此我们可以说，有线传输很难保证矿井安全的有效监控。

　为了解决以上问题，本文设计了一种矿井安全生产监控系统，选择了基于ZigBee协议的的无线通信技术，实现对温度、湿度、瓦斯浓度这三个主要指标的采集，能够在电脑上进行判断和控制、存储，最终有效监控矿井生产。此系统不仅能弥补有线传输系统的缺点，还拥有低功耗、低成本、高稳定性、高可靠性、智能化等优点，具有一定的研究意义。

1.3　论文研究的主要内容及安排

　针对煤矿生产的现状，和安全监控系统的研究与应用，本课题对无线传感器网络进行了深入的研究，提出了一种新型的矿井安全生产监控系统。该系统基于ZigBee无线传输技术，实时监控矿井环境，很好地应用了无线传感器网络技术。本课题主要研究安排如下：

　第一章绪论。介绍了课题背景及研究意义，安全监控系统国内外的研究现状、存在问题，并简单介绍了论文的研究内容和基本框架。

　第二章相关技术研究。简要介绍了无线传感器网络的定义、发展现状和应用前景，描述了本设计采用的ZigBee无线通信技术，比较了各种短距离无线通信技术，并对ZigBee的协议栈进行了分析。

　第三章系统总体设计。针对需求分析设计了总体方案，分析了硬件和软件的设计要求，画出简易流程图。

　第四章系统硬件设计。介绍了系统微处理器模块、终端采集模块和无线通信模块元件的选择和连接电路。

　第五章系统软件设计。主要介绍了数据采集和无线通信的程序设计，包括主机上控制面板的设计，以及软件开发平台的选择。

　第六章系统测试及结果分析。

　第七章总结。

2　相关技术研究

2.1　无线传感器网络简介

　 无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）是一个多跳、自组织的网络系统，是由分布在监测区域内的、通过无线通信传输数据的大量微型传感器节点组成。无线传感器网络包括传感器、监测对象和观察对象三个基本要素，其中无线是指两个对象之间的通信方式，而无线传感器又包括传感器、电源、处理器、通信元件和软件等。

　传感器节点的缺点是：

　1、能量限制。传感器节点体积小，能携带的电池有限，而复杂的环境无疑使电源的及时更换补充有了一定难度，所以需要充分利用有限的能量。在传感器节点所有模块中，消耗能量最多的是无线通信，传输信息时要比计算更耗电，因此在不需要通信时应该使节点尽快休眠

　2、通信能力有限。通常情况下，传感器节点的通信距离在100米内。因为通信距离的限制，无线传感器网络通常使用多跳路由传输。由于节点受地形、环境等因素的影响，传感器节点的通信能力是有限的。

　3.计算和存储能量有限。传感器节点有采集数据、处理数据、节点控制等多种任务，但它的处理器能力弱，需要利用有限的计算和存储资源来完成多个任务。

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