1、毕业论文（设计）题目（中文）： 矿井无线传输模块的设计 （外文）： The Design of Mine Wireless Sensor Module 院（系）： 通信与电子学院 专 业： 电子科学与技术 2目录摘要 .11. 引言 .11.1 选题背景 .11.2 国内外煤矿安全监测研究状况 .21.3 本论文的选题意义与工作 .21.4 无线传感模块的设计要求 .32. 无线传感器网络技术介绍 .32.1 无线传感网络的特点 .32.2 无线传感网络拓扑结构方案 .42.3 短距离无线数据通信的标准简介 .72.4 无线传感器网络结构 .112.5 传感器硬件设计 .122.6 传感器电路
2、接口设计 .123.系统方案设计 .133.1 系统结构 .133.2 矿井中 GSM 移动信号传输模块 .133.3 基于 GSM 手机模块的数据接收系统 .164 总结 .18参阅文献 .181矿井无线传输模块的研究摘要:文章介绍了一种基于无线传感器网络的矿井应急方案，阐述了无线传感器网络的结构、特点及无线传感器网技术,移动通信技术在矿井应急通信系统中的应用设计。该矿井应急通信系统利用无线传感器网络进行紧急状态下矿井数据的采集和收集，利用成熟、信号覆盖面广的移动通信技术进行信号的传输，将数据实时地传送到处理中心和相关的责任人。便于对紧急情况的决策处理。 针对矿井的特点,提出了实现矿井移动通
3、信的方案:以质量较好、网络较为完善的 GSM 移动信号为信号源，用 光纤直放系统将信号引入矿井。关键词: 矿井通信;手机模块;GSM; 光纤直放系统1. 引言1.1 选题背景煤炭是我国经济建设的基础，煤炭的开采主要以井下为主，巷道长、矿井生产工序多、作业地点分散，人员流动性大且工作环境恶劣，事故隐患大。为了矿井的安全生产和效率的提高，解决无线通信是一个关键的问题。然而，矿井无线通信系统具有许多不同于一般地面的无线通信系统的特点，许多地而上使用的通信设备和技术无法直接应用到煤矿井下。近年来，我国煤矿安全状况形势非常严峻，不断发生瓦斯爆炸事故。为了安全生产，需设计一套完善的矿井应急无线通信系统。国
4、内多数煤矿企业都已经或正在进行生产调度,监测监控等信息系统的建设,这些系统的建立在实现安全生产的过程中起到了重要的作用。但是这些几乎系统都是基于有线的系统,在紧急状态下(比如电力中断,事故等)如何将安全生产监测监控信息及时、准确地传送到各级相关人员手中,缺乏有效的手段。线传感器技术是目前无线通信领域内研究的一个热点技术,它综合了传感器技术,嵌入式计算技术,现代网络及无线通信技术,分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测,感知和采集各种环境或监测对象的信息,通过嵌入式对信息系统进行处理,并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端。本文提出了一
5、种基于无线传感器网络的矿井应急通信系统的设计方案。该方案利用无线传感器网络和 GPRS手机模块、GSM 手机模块或者 CDMA手机模块等,在系统电力出现故障时保证系统仍能正常地工作,极大地提高了紧急情况下的人员搜救能力,具有较大的现实意义。21.2 国内外煤矿安全监测研究状况1.2.1国内煤矿安全监测研究状况目前，我国煤矿井下通信基本使用有线装置，依靠电缆传输信息，由于井下特殊环境所限，地面潮湿，电缆腐蚀严重，一旦发生事故，通信马上中断，指挥端很难与事故地点取得联系，成为矿井通信一个至关重要的盲点，介于有线通信的种种弊端，国内外现正积极研究各种井下无线通信系统，这对煤矿生产管理，特别是矿井救灾
6、具有重要意义。国内多数煤矿企业都已经或正在进行生产调度、监测监控等信息系统的建设，这些系统的建立在实现安全生产的过程中起到了重要的作用。但是这些系统几乎都是基于有线的系统，在紧急状态下如何将安全生产监测监控的信息及时、准确的传送到相关人员手中，缺乏有效的手段。1.2.2国外煤矿安全监测研究状况世界主要产煤国(美国,英国，德国，波兰，前苏联)从 50年代开始，陆续得把监测技术应用到安全生产管理上，国外迅速地把射频识别技术成功的应用到了井下人员定位监控系统中。1990 年 8月，美国安菲斯公司利用超低频信号的穿透力研制开发的世界唯一一套可实现超低频信号穿透岩层进行传输的无线急救通讯系统投入煤矿使用
7、。该系统的先进技术工艺和优越的性能得到了矿区领导的一致肯定。该系统能够提供一些预先编制好的紧急信息，这些信息在紧急情况出现时自动生成。该系统可以直接连接现有的监控设备。可以监控多种输入，警告信息由矿井人员预先指定，在紧急情况发生时，可以在最短的时间内，将警告发送给井下全部或相应的工作人员。1.3 本论文的选题意义与工作由于多种短距离无线传输技术的兴起，为解决矿井问题提供了更多的选择，蓝牙、红外、以及最新的 ZigBee 技术都能够实现短距离无线通信，但考虑到满足生产要求，同时能降低生产成本的情况，利用无线传感器网络就突显了它的作用。3在这种情况下，设计的一种无线传感模块就具有了很大的市场，本文
8、在对比了现有的几种短距离无线数据通信的特点后，设计了一种短距离无线数据收发模块，给出了其系统硬件框图，并详细分析了其工作原理，在无线发送模块的设计中决定采用移动通信的 900MHz信号是实现矿井无线通信，其中利用光纤之放系统将信号源引入井下，在接收部分，我们采用 GSM 模块作为接收模块的控制部分。在本文中，首先详细介绍了设计中所采用的各主要系统的结构与工作原理，随后对所设计系统的各个部分进行了详细的剖析，并且对设计工作中的模块进行了工作配置。1.4 无线传感模块的设计要求1、具有发送接收数据的功能，根据收发数据的情况判定矿井人员的位置。2、具有体积小，部署方便，低功耗、低成本的优点。3、具有
9、抗干扰的优势，能够最大程度的避免通信冲突。4、具有操作简单、配戴方便的优点。2. 无线传感器网络技术介绍所谓传感器网络是由大量部署在一定区域内的,具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。感器网络的节点间距离很短,一般采用多跳(multi2hop)的无线通信方式通信。感器网络可以在独立的环境下运行,也可以通过网关连接到互联网,使用户远程访问。2.1 无线传感网络的特点(1)无中心。SN 没有严格的控制中心,所有节点地位平等,是一个对等式网络。点可以随时加入或离开网络,任何节点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性。(2)
10、自组织。络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施,节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节点开机后就可以快速,自动地组成一个独立4的网络。(3)动态拓扑。SN 是一个动态的网络,节点可以随处移动;1 个节点可能会因为电池能量耗尽或其它故障,退出网络运行,也可能由于工作的需要而被添加到网络中.这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化,因此网络应该具有动态拓扑组织功能。(4)节点数量众多,分布密集。SN 节点数量大,分布范围广,难于维护甚至不可维护。以,需要解决如何提高无线传感器网络的软,硬件健壮性和容错性。(5)硬件资源有限。SN 节点采用嵌入式处理器和存储器,计算能力和存储能力十分有限。以
11、,需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。根据上述分析,笔者发现无线传感器网络十分适合紧急情况下矿井安全的应急通信。紧急情况下,井下一般都会断电,线路也有可能出现问题,因此,无线传感器网络就是一个很好的选择,再结合具有广泛覆盖范围的移动通信手机模块,就可以将所需的数据安全可靠地传送到地面中心和有关责任人员的手中。2.2 无线传感网络拓扑结构方案考虑矿井的结构特点，把矿井无线通信系统设计成如图 3示的网络结构。底层是部署在矿井巷道和工作面上的传感器网络，向上依次为传输网络和地面监控中心。为了保证通信系统的可靠性和准确性，传感器节点的部署密度通常比较大，并且部署在矿井中所有
12、的工作面和巷道中，从而形成多个传感器网络。传输网络是负责协同各个传感器网络网关节点、综合网关节点信息的局部网络。图 3 监测系统网络结构5无线传感器网络采用网状拓扑结构，由于完全的网状拓扑控制要消耗传感器节点较多能量，为了在满足网络连通的前提下，尽可能地节约能量，在矿井的每个巷道和工作面部署的大量节点中选取少数节点作为主节点，打开其通信模块，关闭非主节点的通信模块，由主节点建立一个网状全连通网络来负责数据的路由转发。这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信，也在很大范围内节约了能量。在无线传感局域网中通常采用的组网拓扑结构一般有三种：星形拓扑、网形拓扑和树形拓扑。图 4 星形拓扑结构图星形拓扑是由
13、中央节点和通过点到点无线链路到中央节点的各个站点组成，如图 4所示。中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相对复杂，而各个站点的通信处理负担都很小。这种结构一旦建立了通道连接，就可以在连通的连个节点之间传送数据。星形拓具有控制简单、故障诊断和隔离容易的特点。 图 5 网形拓扑结构图网形拓扑如图 5所示。它的优点是不受瓶颈问题和失效问题的影响。由于节点之间有许多条路径相连，可以为数据流的传输选择适当的路由，从而绕过失6效的部件或过忙的节点。这种结构比较复杂，成本比较高，提供上述功能的网络协议也较为复杂。图 6 树形拓扑结构图树形拓扑从总线拓扑演变而来，形状像一颗倒置的树，顶端是树根树根以下
14、带分支，每个分支还可以再带子分支，如图 6所示。树根接收各站点发送的数据，然后再广播发送至全网。树形拓扑的优点是易于扩展发现故障较容易，缺点是各个节点对根的依赖性太大。结合井下环境的特点，巷道深路窄，在本设计中采用控制简单，传输方便的星形拓扑结构。这里，由主节点来调节非主节点的工作，负责数据的融合和转发，能量消耗会相对较大。为解决主节点的能量消耗问题，这里主要通过网络自身周期性地监测各传感器的能量状态，并自动更换主节点来均衡网络中各节点能量消耗。选取所有节点中能量大于某一设定值的少数几个节点作为主节点，其余节点选取离自己距离最近的主节点作为自己的控制节点。如果矿井工作面距离较远，或工作面数目多
15、，可以在每个工作面专门部署一个能量较强的节点作为该工作面主节点的主节点，完成工作面之间的信息传输。基于保证矿井人员安全的需求，设计一种人员定位系统是很必要的，由于矿井人员的移动性，采用无线定位技术能更有效实现井下人员的定位。工业级无线传感网络技术的不断进步为解决传统矿井人员安全的问题提供了广阔的前景和新的契机。无线传感器网络 WSN是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息(如光7强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象)，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络的一个重要优势是摆脱了
16、传统传感器网络的连线限制，解决了成本问题，通过传感器技术、计算机技术和无线通信技术的融合，大大缩短了人和自然之间的距离。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限，而且常常能量能够得到补充；网关通常使用多种方式(如 Iniemct、卫星或移动通信网络等)与外界通信。而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量
17、一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。传感器网络节点一般由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模块单元 4部分组成。本论文设计思想就是基于无线传感器网络的。图 7传感器网络结构图本模块的通信方式属于点对点的通信方式，点对点无线通信是无线通信中最基本的通信方式，是点到多点无线通信以及无线网络的基础。本模块的通信设计属于短距离无线通信范畴。2.3 短距离无线数据通信的标准简介短距离无线通信相比有线通信有以下主要特征：无线发射
18、功率从几 W到小传感器电源电源无线传输电源处理器8于 100W；通信距离范围从几厘米到几百米；主要在房间内使用；使用全向天线和线路板天线；不需要申请无线频道；高频操作；电池供电的无线发射器和无线接收器。格式化数据包（CRC16 ）格式化数据包（CRC16 ）发送端 接收端图 10 短距离无线通信系统示意图典型的短距离无线通信系统如图 10所示，它由一个无线发射器和一个无线接收器组成。发射器的数据通过无线发射出去，接收器天线接收后，进行处理，得到正确的经过校验的数据。本设计就是基于短距离无线通信系统的工作原理研究设计的，矿井人员配戴该模块通过数据的发送与接收，方便井上监控系统确定人员的位置。在进
19、行短距离无线通信时，现已有多种技术方案可供选择，最流行的关于短距离无线数据通信的 3个标准是蓝牙(Bluetooth)，502.11(Wi 一 Fi)标准和IrDA，另外最近还出现了 UWB，ZigBee 与 GPRs数据通信技术。以下是几种技术简介：蓝牙1998年蓝牙技术的出现主要用于通信与信息设备的无线连接。蓝牙技术是一种用于各种固定与移动的数字化硬件设备之间的低成本、近距离的无线通一讯连接技术。这种连接是稳定的、无缝的，其程序写在一个 9X9mm的微型芯片上，可以方便地嵌入设备之中。这项技术能够非常广泛地应用于我们的日常生活中。蓝牙的工作频率为 2.4GHz，有效范围大约在 10m半径内，在此范围内作为一种电缆替代技术，它可把内嵌有蓝牙芯片的计算机、手机和多种便携通信
