基于Mesh网络的顶板离层监测系统开发

发布时间：2017-10-22 11:03

  本文关键词：基于Mesh网络的顶板离层监测系统开发

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【摘要】：本课题是山西省科技厅重大专项项目(编号:20131101029)“基于物联网的煤矿重大生产装备状态监测及全寿命周期管理系统的开发”中的重要组成部分。随着我国煤炭工业的快速发展,对煤矿井下安全生产提出了更高要求,而顶板事故在矿井事故总数中的比重长期居高不下,严重威胁了煤矿井下的生产安全以及井下工作人员的生命安全。实时监测顶板状态对于保障顶板安全具有重要作用。而目前顶板离层监测主要以人工为主,即工人用观测仪定时到现场读数,这样不仅工作量大,而且实时性差、误差大;在有线监测系统中,一旦线路老损或被腐蚀,将导致传感器与数据监测设备通信中断;虽然目前市场上也有其它无线监测系统,但存在着功耗高、通讯距离不能满足要求等问题。因此,开发一套新型低功耗的无线自组网顶板离层监测系统,实现对顶板离层位移数据的实时采集、自动存储和长距离无线传输,以便对其进行在线监测和分析诊断,具有重要的现实意义。论文针对现有无线监测系统功耗高,系统无法满足工作面用电需求,以及传输距离短导致的数据无法可靠上传等缺陷,自主设计研发了一套顶板离层监测系统。系统通过采用低功耗设计方式和定时唤醒工作模式,实现了超低功耗运行;设计了基于内嵌WaveMesh协议的无线模块的通信网络,实现了在井下巷道拐弯倾斜等环境中的无线数据的长距离可靠传输,提高了系统的稳定性。本文的主要研究工作和成果如下:在大量查阅学习国内外相关研究与产品现状的基础上,通过在晋煤集团欣科公司开展现场调研和对系统进行需求分析,设计了顶板离层监测系统的总体方案,确定了系统中离层仪和监测主机的功能;选择了无线WaveMesh技术作为本系统的无线通信技术。根据系统功能需求以及总体设计方案,确定了适合本系统的微处理器,开发了以此为核心的相关外围电路,使得离层仪能够完成数据采集、信号传输、显示和存储功能,监测主机可以实现对各个离层仪数据的接收、存储以及可视化显示。结合硬件电路,采用模块化结构的程序设计方法,编写了离层仪和监测主机的相关主程序、数据采集子程序、中断服务程序和通讯程序等。在实验室对系统各功能进行了调试,试验结果表明:整个系统功能完善稳定,运行可靠且功耗低,数据采集显示实时准确,能满足在井下长时间工作以及远距离传输的要求,对提高井下安全生产有重要意义。
【关键词】：顶板 离层监测 低功耗 WaveMesh 无线传输
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD327.2
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 课题背景和研究意义10-12
• 1.2 国内外顶板监测系统的研究现状12-15
• 1.2.1 机械式顶板离层仪13-14
• 1.2.2 智能式顶板监测系统14-15
• 1.3 顶板监测系统的未来发展方向15
• 1.4 本文的研究目标及主要研究内容15-16
• 第二章 顶板离层监测系统总体方案分析与设计16-28
• 2.1 顶板离层监测系统需求分析16-17
• 2.2 系统总体方案17-19
• 2.2.1 系统总体结构17
• 2.2.2 离层仪功能及原理17-18
• 2.2.3 监测主机功能及原理18-19
• 2.3 系统的关键技术19-26
• 2.3.1 无线传感网络的特点20
• 2.3.2 无线通信技术的比较20-23
• 2.3.3 无线WaveMesh网络23-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第三章 监测系统硬件电路设计28-50
• 3.1 系统硬件设计原则28
• 3.2 微处理器芯片的选择28-32
• 3.2.1 选取微处理器需要考虑的几个因素28-29
• 3.2.2 微处理器的选取29-30
• 3.2.3 最小系统的设计30-32
• 3.3 无线数据收发电路的硬件设计32-36
• 3.3.1 井下无线通信频段的选择32-33
• 3.3.2 无线模块简介及外围电路设计33-36
• 3.4 离层仪硬件设计36-44
• 3.4.1 电池的选型36-37
• 3.4.2 稳压芯片的选型37-38
• 3.4.3 位移数据采集模块的设计38-40
• 3.4.4 LED显示模块的设计40-42
• 3.4.5 存储模块的设计42-43
• 3.4.6 报警模块的设计43-44
• 3.5 监测主机硬件设计44-48
• 3.5.1 LCD液晶显示模块的设计45-46
• 3.5.2 实时时钟模块的设计46-47
• 3.5.3 SD存储模块的设计47-48
• 3.6 硬件抗干扰设计48-49
• 3.7 本章小结49-50
• 第四章 顶板离层监测系统软件的开发50-70
• 4.1 开发平台IAR Embedded Workbench简介50-51
• 4.2 离层仪的单片机软件设计51-57
• 4.2.1 软件的主程序设计51-53
• 4.2.2 定时采集存储子程序设计53-57
• 4.2.3 外部光敏触发子程序设计57
• 4.3 监测主机的单片机软件设计57-65
• 4.3.1 监测主机的主程序58
• 4.3.2 按键子程序设计58-59
• 4.3.3 LCD显示程序设计59-63
• 4.3.4 SD卡存储程序设计63-65
• 4.4 系统通信软件设计65-67
• 4.5 软件抗干扰设计67-68
• 4.6 本章小结68-70
• 第五章 系统的调试70-78
• 5.1 功耗测试70-71
• 5.2 传感器精度测试71-72
• 5.3 试验系统的搭建及测试72-76
• 5.4 无线信号通信质量测试76-77
• 5.5 本章小结77-78
• 第六章 总结与展望78-80
• 6.1 结论78-79
• 6.2 工作展望79-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-86
• 作者在攻读硕士期间的研究成果86

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