基于物联网的矿井应急无线语音系统研究

发布时间：2017-05-04 15:15

  本文关键词：基于物联网的矿井应急无线语音系统研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：煤炭开采业作为高危行业,煤矿安全事故时有发生,威胁着矿工的人身安全,同时给企业也带来了巨大的经济损失。煤矿安全监控和通信系统作为提高煤矿生产安全的有效途径和手段,在煤矿的安全生产中发挥了重要的作用。但现有的监测监控网络尤其是有线网络易受到损坏,布设和维护成本高,应对井下突发事故的能力较弱。当矿难事故导致井下综采或掘进等关键区域断电或系统线路遭到破坏时,监控和通信系统可能无法正常工作,不利于救援工作的开展。因此研究一种能够在特殊环境下有效实现井上和井下的应急无线语音通信系统非常必要。随着物联网技术尤其是近距离等无线通信技术的发展和成熟,为矿井应急无线语音系统的实现提供了多样化的技术支撑。Zigbee网络的功耗低、网络自愈能力强、组网灵活便捷、易铺设、成本低等优点比较适合井下环境,而蓝牙技术在终端接入方面不可替代的优势也较适合作为本系统的终端设备。在充分分析无线语音通信系统和监测系统的基础上,提出了一种采用Zigbee无线技术和蓝牙技术相结合实现井下无线语音应急通信系统的方法,其中传输网络采用Zigbee网络,语音终端采用蓝牙方式。由于Zigbee网络的低功耗要求以及在传输速率方面的不足,研究了几种简单的语音压缩编码算法的工作原理,结合系统需求选择自适应差分脉冲编码算法ADPCM作为系统的语音压缩算法。应急无线语音系统传输网络将传输信号类型分为主级信号与次级信号,在无语音信号传输需求时,传输网络主要进行监测监控数据的传输,该数据信息作为主级信号,而语音信号为次级信号。系统正常工作时优先满足主级信号的带宽,当事故发生时人为地切换信号优先级,以保证语音信号传输需要的带宽。本文选用CC2530芯片作为Zigbee模块,CC2540作为蓝牙模块和三星Micro2440开发板作为Zigbee-蓝牙网关的硬件平台搭建井下应急无线语音系统,并通过功能模拟测试验证该系统能够满足语音通信的带宽需求,在实际应用中再结合环境监测参数和人员定位情况可以为事故发生后的救援工作提供帮助。
【关键词】：物联网 矿井 Zigbee 蓝牙 语音 应急通信
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD76;TP391.44;TN929.5
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-20
• 1.1 课题研究背景及意义12-15
• 1.2 国内外现状及存在的问题15-17
• 1.3 课题研究内容与结构17-20
• 1.3.1 课题研究内容17
• 1.3.2 章节规划17-20
• 2 矿井应急无线语音系统关键技术20-32
• 2.1 Zigbee技术20-25
• 2.1.1 短距离无线通信技术20-21
• 2.1.2 Zigbee拓扑结构21-23
• 2.1.3 Zigbee协议栈23-25
• 2.2 蓝牙4.0技术25-27
• 2.2.1 蓝牙技术介绍25
• 2.2.2 蓝牙拓扑结构25
• 2.2.3 蓝牙4.0协议栈25-27
• 2.3 语音编码技术27-30
• 2.4 本章小结30-32
• 3 应急无线语音系统方案设计32-36
• 3.1 系统总体结构设计32-33
• 3.1.1 应急无线语音系统需求32
• 3.1.2 应急无线语音系统功能32-33
• 3.2 应急无线语音系统总体原理33-35
• 3.2.1 应急无线语音系统总体结构33
• 3.2.2 应急无线语音系统工作原理33-34
• 3.2.3 Zigbee网络节点配置34-35
• 3.3 本章小节35-36
• 4 系统硬件设计36-44
• 4.1 Zigbee网络节点芯片选择36-40
• 4.1.1 Zigbee协调器节点设计39-40
• 4.1.2 终端节点设计40
• 4.2 Zigbee-蓝牙网关硬件设计40-42
• 4.3 本章小结42-44
• 5 系统软件设计44-54
• 5.1 Zigbee组网软件设计44-46
• 5.1.1 协调器组网建立44-45
• 5.1.2 终端节点加入网络45-46
• 5.2 Zigbee-蓝牙网关软件设计46-52
• 5.2.1 蓝牙模块软件设计46-47
• 5.2.2 Zigbee-蓝牙网关协议转换47-48
• 5.2.3 语音模块压缩算法软件设计48-52
• 5.3 本章小结52-54
• 6 系统性能测试与分析54-58
• 6.1 Zigbee无线收发距离测试54-55
• 6.2 编解码测试55-56
• 6.3 本章小结56-58
• 7 总结58-60
• 参考文献60-64
• 致谢64-66
• 作者简介及读研期间主要科研成果66

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