劉春龍開題報(bào)告

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題匯報(bào)題目：基于ZigBee技術(shù)的井下人員跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)專題：院（系）：電氣與信息工程學(xué)院班級：通信工程07-1班姓名：劉春龍學(xué)號：指導(dǎo)教師：張智勇教師職稱：高級工程師黑龍江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題匯報(bào)

題目基于ZigBee技術(shù)的井下人員跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)來源生產(chǎn)實(shí)踐1、研究目的和意義面對國內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)的規(guī)定越來越高，建立可靠實(shí)用的煤礦井下人員跟蹤定位系統(tǒng)，對改善煤礦的安全生產(chǎn)管理有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本論文設(shè)計(jì)的井下人員跟蹤系統(tǒng)是2.4GHz新一代人員跟蹤定位系統(tǒng)，采用國際最新ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以及時(shí)、精確的將井下各個(gè)區(qū)域人員的動(dòng)態(tài)狀況反應(yīng)到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使管理人員可以隨時(shí)掌握井下人員的分布狀況和每個(gè)下井人員的入井、升井時(shí)間及運(yùn)動(dòng)軌跡，以便于進(jìn)行愈加合理的管理。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，救援人員也可根據(jù)井下人員定位系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)、圖形，迅速理解有關(guān)人員的位置狀況，及時(shí)采用對應(yīng)的救援措施，提高應(yīng)急救援工作的效率，可以很好地處理潛在的某些問題，具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。2、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r(文獻(xiàn)綜述)對于井下定位技術(shù)的研究，最早的可以追溯到1991年南非德比爾企業(yè)的芬什礦山使用的地下礦鏟運(yùn)機(jī)自動(dòng)測位系統(tǒng)。該系統(tǒng)在礦山四面的關(guān)鍵位置布置了一組紅外線鄰近效應(yīng)探測器。當(dāng)車輛通過某探測器下面時(shí)，裝在車上的紅外線發(fā)射器向該探測器發(fā)射一種用于識(shí)別該機(jī)車的數(shù)碼。這個(gè)數(shù)碼被傳到一種控制著調(diào)度過程的中央計(jì)算機(jī)。紅外線探測器之間需要設(shè)置識(shí)別環(huán)路設(shè)備，這意味著基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)用提高，并且系統(tǒng)的靈活性較差。1994年在南非普雷米爾(Premier)金剛石礦安裝了一種微波信標(biāo)系統(tǒng)，它包括一種車上安裝的監(jiān)測器。該監(jiān)測器持續(xù)探測設(shè)在礦山周圍各要點(diǎn)的微波信標(biāo)與否出現(xiàn)，該信標(biāo)為圓柱形，用電池供電，發(fā)射超過3m范圍的統(tǒng)一調(diào)制識(shí)別信號。1995年澳大利亞芒特艾薩礦業(yè)企業(yè)開發(fā)了一種基于射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)的人員探測系統(tǒng)，用于監(jiān)測礦工與否進(jìn)入危險(xiǎn)地帶。這個(gè)系統(tǒng)使用頂板安裝的天線，用來監(jiān)控裝在每個(gè)礦工帽上的小型無源信標(biāo)，進(jìn)而可以懂得各個(gè)天線所覆蓋范圍內(nèi)的人員狀況。目前，伴隨國家對煤礦安全的日益重視和監(jiān)管力度的不停加強(qiáng)，我國大中型煤礦及廣大鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦已大量裝備了煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。國內(nèi)也有諸多企業(yè)開始從事井下人員定位與管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)，如北京凌天世紀(jì)自動(dòng)化有限企業(yè)研制的KJ155型礦用人員跟蹤考勤系統(tǒng)，維深電子研制的井下人員跟蹤系統(tǒng)，以及上海秀派電子科技有限企業(yè)研制的KJ19井下人員及設(shè)備跟蹤系統(tǒng)等等。上述系統(tǒng)基本上都是采用的RFID技術(shù)，RFID技術(shù)是從70年代發(fā)展起來的，也是目前研究的一種熱點(diǎn)。此類系統(tǒng)通過在礦井進(jìn)口處以及某些關(guān)鍵通道入口處使用射頻卡讀寫系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對下井人員的登記記錄，從而進(jìn)行跟蹤定位。實(shí)際上這只是實(shí)現(xiàn)了人員的粗定位，即只是將人員定位在一定的范圍內(nèi)，而沒有把人員定位在一種詳細(xì)的位置點(diǎn)上，因此，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤和定位。3、研究內(nèi)容1．通信接口的設(shè)計(jì)將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下的無線通訊以及人員定位，在遵照IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際狀況自定義通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)ZigBee通訊子網(wǎng)之間以及ZigBee通訊子網(wǎng)和地面的數(shù)據(jù)接受解析模塊的通信接口。ZigBee是采用成熟無限通訊技術(shù)的全球統(tǒng)一原則的開放的無限傳播技術(shù)，處理了系統(tǒng)的信息采集、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊的問題，不過ZigBee通訊子網(wǎng)之間以及ZigBee通訊子網(wǎng)和地面的數(shù)據(jù)接受解析模塊的通信接口還需要定義，使通訊信息簡潔而有效，其中包括ZigBee定位模塊的標(biāo)識(shí)問題，以及位置信息的時(shí)間標(biāo)志問題[2]。2．實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)分析某個(gè)人員位置判斷的根據(jù)有：定位節(jié)點(diǎn)的地址、路由節(jié)點(diǎn)的地址和時(shí)間序號，而某個(gè)人員也許處在幾種路由節(jié)點(diǎn)交疊的范圍內(nèi)，根據(jù)這些有限的信息判斷人員位置有也許誤判，判斷實(shí)時(shí)判斷超員、超時(shí)更是難點(diǎn)，這些也許要結(jié)合信號強(qiáng)度和人工建模來處理。對于在線的人員位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)分析，分析出人員移動(dòng)方向，進(jìn)行異常分析。3．模擬動(dòng)畫顯示處理可視化顯示中的模擬動(dòng)畫顯示問題，顯示巷道布置模擬圖、設(shè)備布置圖、人員位置等，具有漫游、總圖加局部放大、分頁顯示等。4、設(shè)計(jì)方案（研究/設(shè)計(jì)措施、理論分析、計(jì)算、試驗(yàn)措施和環(huán)節(jié)等）：本文硬件包括井上控制，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)三部分，其中井上控制部分重要由PC機(jī)構(gòu)成，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)部分重要由射頻芯片和微處理器MCU構(gòu)成。電路框圖如圖1所示。圖1硬件設(shè)計(jì)模塊構(gòu)造框圖移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將要發(fā)送的信號從MCU通過SPI口傳送到CC2420中，通過擴(kuò)頻調(diào)制到載波后通過發(fā)通路從天線發(fā)射出去。固定節(jié)點(diǎn)將從天線接受的射頻信號通過收通路傳送到CC2420中，通過解調(diào)、解擴(kuò)得到原始的數(shù)據(jù)，再通過SPI接口傳送到MCU，MCU同步提供對收發(fā)通路的切換控制，并將接受的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳播至井上控制端。固定節(jié)點(diǎn)還可以接受和傳播來自頂板壓力、瓦斯、溫度等傳感器的信號。軟件采用模塊化構(gòu)造，重要由如下幾部分構(gòu)成，軟件框圖如圖2所示。圖2軟件設(shè)計(jì)框圖通過GIS巷道顯示系統(tǒng)可以顯示井下巷道、盲道、采用線路及分站設(shè)置點(diǎn)，人員通過監(jiān)測點(diǎn)的信息和井下巷道人員、采區(qū)人員的分布。地面報(bào)警顯示系統(tǒng)可以提供禁區(qū)報(bào)警和緊急狀況報(bào)警顯示。人員管理數(shù)據(jù)庫包括整個(gè)系統(tǒng)信息，為人員信息查詢，報(bào)表打印等提供資料。人員定位子系統(tǒng)包括定位算法軟件和通信傳播軟件(即標(biāo)識(shí)卡軟件和讀卡器軟件)。5、方案的可行性分析1.2.4GHz的頻段在井下通信應(yīng)用的可行性(1)基于波導(dǎo)理論礦井巷道的半封閉空間構(gòu)造以及煤的電介質(zhì)特性使得礦井在頻率較高的狀況下類似于波導(dǎo)，因而較高頻率無線電信號可以在其中較為有效地直接傳播。(2)基于無線電傳播的光學(xué)射線理論當(dāng)無線電的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)不不小于限定空間的幾何尺寸時(shí)，無線電的傳播可以當(dāng)作是光在限定空間中直射、反射、繞射的綜合成果。2.ZigBee的PHY層中接取方式是采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)。DSSS技術(shù)的基本思想就是通過編碼和調(diào)制的措施在發(fā)送端將信號的帶寬擴(kuò)展到一種較寬的頻譜帶寬上，在接受端使用相似的擴(kuò)頻碼進(jìn)行有關(guān)解調(diào)來解擴(kuò)及恢復(fù)所傳的數(shù)據(jù)信息。其具有如下長處：(1)具有很強(qiáng)的抗干擾性；(2)有效實(shí)現(xiàn)抵御多徑干擾；(3)有助于提高系統(tǒng)容量。3.ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本的優(yōu)勢，而這些恰好合用于煤礦井下巷道多波折、電源供電限制嚴(yán)格、煤炭行業(yè)資金短缺等特點(diǎn)。盡管它有著較低數(shù)據(jù)傳播率，不過這一傳播速度仍可以滿足井下人員定位與管理系統(tǒng)的需求。4.本質(zhì)安全源于按GB3836.1-原則生產(chǎn)，專供煤礦井下使用的防爆電器設(shè)備的分類，防爆電器分為隔爆型、增安型、本質(zhì)安全型等種類，本質(zhì)安全型電器設(shè)備的特性是其所有電路均為本質(zhì)安全電路，即在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性混合物的電路。也就是說該類電器不是靠外殼防爆和充填物防爆，而是其電路在正常使用或出現(xiàn)故障時(shí)產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)的能量不不小于0.28mJ，即瓦斯?jié)舛葹?.5%（最易爆炸的濃度）最小點(diǎn)燃能量。ZigBee技術(shù)屬于低壓、小電流的無線通信技術(shù)，符合防爆規(guī)定。6、該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處7、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的重要用途和應(yīng)用領(lǐng)域基于zigbee技術(shù)的井下人員跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)將對入井人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，理解入井人員的各方面信息，加強(qiáng)安全生產(chǎn)的防備措施，對的處理安全與生產(chǎn)，安全與效益的關(guān)系，精確、實(shí)時(shí)、迅速履行煤礦安全監(jiān)測職能，保證搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的高效運(yùn)作，提高了井下人員的安全性和定位的精確性。8、時(shí)間進(jìn)程系統(tǒng)分析：3月10日-4月1日總體設(shè)計(jì)：4月2日-4月20日詳細(xì)設(shè)計(jì)：4月21撰寫論文：5月20日論文打?。?月11日-6月12日論文答辯：6月13日-6月20日9、參照文獻(xiàn)張瑞峰.RFID技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)管理中的應(yīng)用.山西煤炭，，(12):56～58瞿雷.一種新的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)Zigbee單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用王晟.無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位與覆蓋控制理論及技術(shù)研究[D].武漢理工大學(xué)，TheBluetoothspecialInterestGroup曹育紅.礦井無線通信的頻率選擇.工礦自動(dòng)化，,(4):23-25Reinhardt，Tony，EnvironmentGIS:Theworldinacomputer.JournalofEnvironmentalScienceTechnology，1996BurrouphPA.PrinciplesorGeographicInformationSystemsforLandResourcesAssessment，ClavendonPress，Oxford，1990唐友懷，姚亞平.Cygnal在片系統(tǒng)單片機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，，(8):86-88DatasheetofC8051F340/1/2/3/4/5/6/7，王秀梅，劉乃安.2.4GHz射頻芯片CC2420實(shí)現(xiàn)ZigBee無線通信設(shè)計(jì)瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，:45-48史波，田凱.通用串行總線USB技術(shù)概述[J].信息技術(shù)，，（04）：35-36林春.永磁同步直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，蕭世文.USB2.0硬件設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，:8-10范延濱.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理、接口與EDA設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，:89-392郝云芳.帶VCC輸入引腳的硅序列碼芯片DS2411及其應(yīng)用[J].國外電子元器件，,(3)：53-55馬鋼.ZigBee的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)