中南大学毕业答辩PPT模板.pptx

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1、指导老师：某某某指导老师：某某某 教授教授基于物联网的矿山井下人机监控基于物联网的矿山井下人机监控学生：某某某学生：某某某电气工程及其自动化电气工程及其自动化1204班班概述概述人机监控系统人机监控系统基于实现采用包含识别定位功能识别定位功能位置显示位置显示功能功能轨迹查询轨迹查询功能功能调度指挥调度指挥功能功能环境监测环境监测功能功能报警管理报警管理功能功能无线传感网络子系统无线传感网络子系统人员设备定位子系统人员设备定位子系统调度指挥子系统调度指挥子系统环境监测子系统环境监测子系统传感器技术传感器技术通信技术通信技术数据库软件技术数据库软件技术物联网技术物联网技术井下的识别和通信都采用无线

2、方式井下的识别和通信都采用无线方式分析系统需求并构建总体结构框架分析系统需求并构建总体结构框架构建了系统数据库构建了系统数据库设计了系统的通信协议设计了系统的通信协议选择了合适的定位算法选择了合适的定位算法编写了监控系统的界面和功能实现程序编写了监控系统的界面和功能实现程序本文的特点主要体现在以下几个方面本文的特点主要体现在以下几个方面目录目录目录目录1背景意义2研究现状3需求分析4总体结构5定位算法6通信协议硬件软件测试总结78背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件井下改用无线网络传输数据，随着采掘 推进可以及时跟进部署实时定位人员和设备位置，便于调度指 挥和管

3、理禁区报警可以预防事故，灾害报警能够 及时组织撤离轨迹回放提高事故救援效率，减小损失矿业是国民经济的重要组成部分技术和管理落后导致事故频发目前多数监控系统侧重环境监测，人机 定位方面不足井下大多采用有线网络传输监控数据，难以跟进部署物联网的兴起为监控系统信息化和智能 化提供了有效的解决方案测试总结背景背景意义意义识别技术 目前用于井下人员和设备识别的技术主要是无线射频识别技术（RFID）、地理信息系统（GIS）、控制器局域网络（CAN）等通信技术目前用于井下数据通信的技术主要是WiFi无线通信技术、ZigBee无线通信技术、码分多址（CDMA）通信技术以及泄露和透地通信技术等定位算法目前常用的

4、井下定位算法是三点定位算法、质心定位算法、三角测量定位算法、基于信号传播时间或时间差定位算法以及基于RSSI测距的定位算法背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结功能功能描述描述识别定位能够区分井下的每一个人员和设备的身份标志和确定他们的实时位置，为后续功能提供基础支持位置显示在计算机屏幕上动态显示和更新井下人员和设备的位置分布情况，以便监控人员动向和井下生产状态轨迹查询能够记录和查询每一个人员和设备最近的任意时刻在井下的具体位置和行动轨迹，便于在事故发生后确定井下人员的位置分布

5、并实施相应的救助方案调度指挥能够根据人员和设备的位置信息进行调度指挥管理，分派人员和设备到需要的区域执行任务环境监测能够通过井下布置的环境监测传感器采集周围环境信息并上传到地面监控系统分析处理，确保生产环境安全报警功能实现井下作业人员进入危险禁区自动报警功能、井下作业人员与井上监控人员发现井下危险时互相报警功能，使得发生危险时井下作业人员能够及时撤离危险区域系统功能需求表 系统的工作原理是：射频收发器安装在矿井下已知的参考位置，有源射频标签由井下人员和设备携带。当标签进入收发器的识别范围后，收发器就会接收到有源射频标签发出的身份信息。然后，收发器和环境传感器分别将采集的标签信息和环境数据传送给

6、WIFI路由器，WIFI路由器再将数据转发给WIFI基站经有线传送给井上的人机监控系统，由系统的各功能模块软件来分析利用上传的数据实现各自的识别定位、记录存储、轨迹查询、调度指挥、环境监测和报警管理等功能。背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结本文系统采用三点定位和质心定位相结合的定位算法，井下巷道模型如下已知射频收发器节点1、2、3的坐标分别为 J1（x1，y1）、J2（x2，y2）、J3（x3，y3）接收信号强度（RSSI）测距公式为可以求出井下人员或设备到节点1、2、3的

7、距离分别为那么分别以J1、J2、J3为圆心，以d1、d2、d3为半径的圆相交于一点，这一点的坐标就是井下人员或设备的坐标联立以上式子就可以求出井下人员和设备的坐标在RSSI值没有误差的理想情况下必有唯背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结一解，即三个圆相较于一点，如下图A所示个交点，将两个交点坐标分别代入 (x3-x)2+(y3-y)2中比较大小，较小的即为距离圆J3圆心较近的交点坐标（xc，yc），同理可以求得圆J2、J3的两个交点中距离圆J1圆心较近的交点坐标（xa，ya）和圆J1、J3的两个交点中距离圆J2圆心较近的交点坐标（xb，yb），最后根据

8、质心算法可以求得人员或设备坐标为而在实际情况下，由于RSSI测距值误差的存在，可能出现图B所示的情况，即三个圆不能相交于一点。由下面的方程组可以求出圆J1、J2的两背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结控制部分低位字节C_L表示具体的控制命令，高位字节C_H用来表示装置类型。如C_H为1、2、3时分别表示射 频标签、读写器、温度传感器，当C_H为5、6、7等时，可留待表示后续系统扩展的装置，如湿度传感器等。目标ID表示该帧需要发送到的目的装置的身份，来源ID表示数据的来源，读写器ID表示射频读写器的身份。数据部分高位字节表示整数，低位字节表示小数，是需要

9、传输的具体数据，本文为RSSI测距值、温度传感器测 量的温度值或者瓦斯传感器测量值，当系统后续扩展各种传感器时，可以为各传感器的测量值。帧号作用是丢弃重复的帧，每当发送一个新帧的时候，就将帧号加一，从0到255不断循环，这样在一定时间内 路由器就可以区分接收的帧是否为重复帧，如果重复则丢弃，从而去除了冗余数据，提高了传输效率。校验部分通过对除了帧头字节和校验字节外的其余部分进行异或得到，通过校验字的奇偶性来确定数据在传输 过程中是否出现错误。无线通信协议帧格式帧头控制控制目目标ID来源来源ID读写器写器ID数据数据帧号号校校验01234567891011120 x7EC_HC_LDIDTIDR

10、ID整数小数自增XOR背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结以4个作为每个数据包的开始来区分各个数据包控制：共2个字节，其作用和无线通信协议帧中的控制部分作用一样，可扩展设备。地址部分为各WIFI基站的身份标志，包长部分用来表示该数据包数据部分的长度数据部分字节长度可变，可以包含多组数据来源ID、射频读写器ID和数据值的组合，实现了打包批量发送，在 单位时间内提高了传输效率包号同无线通信协议帧中的帧号一样，数据包从0到255循环编号，可以起到去重去冗余的作用校验部分作用同无线通信协议帧中的校验，通过收到的数据的奇偶性来检查有无传输错误 有线通信协议数据包

11、格式包包头控制控制地址地址包包长数据数据包号包号校校验4字节2字节2字节2字节长度可变1字节1字节CMDaddresslengthchange自增XOR背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 无线帧到有线数据包的封装示意图如下，WIFI路由器传送的无线数据帧在WIFI基站进行接收和校验后，首先通过封装打包成数据包，接着数据包通过有线传送到地面监控主机，最后由监控主机进行解包、分析和处理。对帧数据进行这样的封装，去掉了帧头、控制、目标ID、帧号和校验部分，提取了监控主机需要的有用数据，从而大大减少了数据量，提高了传输效率。背景意义 研究现状 需求分析 总体

12、结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 本文系统的硬件分为三个部分，即射频系统硬件、通信系统硬件和环境监测系统硬件。考虑井下空间狭小和更换电池不便，系统各部分芯片的选型都充分考虑了小体积低功耗性能和节能工作模式 射频系统硬件主要是射频芯片和控制芯片的选择以及它们之间的连接方式。射频芯片选择工作在2.42.5GHz的ISM 频段的nRF24L01射频芯片，QFN20 4x4mm封装使得体积非常小，能耗低，具有掉电和待机两种节能模式。右图是该芯片组成的射频前端电路，通过SPI接口可以与各种类型的微处理器相连。背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 射频

13、系统的微处理器芯片选用AT89LV51单片机，其工作电压低、功耗低，可以通过软件方式选择待机和掉电两种省电工作模式。左图是射频系统的控制电路，微处理器是AT89LV51，存储器是串行的E2PROM 25AA320芯片，具有电可擦除特点，可读可写。背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结样减少了发射切换次数和发射总时间，使发射模块断断续续地工作，从而将功耗降到最低。另外，处理器不参与整个双向链路通信，而是由nRF24L01芯片的增强型突发传递工作模式来处理链路层的所有高速操作，因此，进一步降低了系统的功耗。在掉电模式下，整个系统的功能元件除了SPI接口外全部

14、停止工作。而在待机模式下，系统部分功能器件停止工作，以节省能量，当标签进入读写器范围后唤醒电路，脱离待机模式。右图是射频芯片和控制芯片通过SPI方式连接示意图。两个10K电阻避免了读入数据与输出数据相互干扰。由此组成的射频系统具有突发传递收发模式、掉电模式、待机模式三种工作模式。在突发传递收发工作模式下，射频芯片内部有FIFO缓冲区，可以先将数据在缓冲区内组合成信息帧，然后集中快速发送出去，这背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 如左上图所示，通信系统采用树形拓扑结构，容易扩展节点、故障隔离简单、成本低廉，适合于随采掘推进跟进部署。通信系统WIFI路由

15、和基站硬件主要部分由WIFI芯片RN-131和微处理器MSP430FG4618连接而成，RN-131是具有三个独立电源区域的超低功耗WIFI集成芯片，在运行过程中可以根据需要使不工作的电源区域关断，从而极大地降低了芯片的功耗。MSP430FG4618微处理器具有5种节能模式，专门为延长电池使用寿命而优化。右图是两芯片连接示意图，微处理器通过SPI接口CLK给WIFI芯片提供时钟频率，并通过UART接口实现数据通信。背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 通信系统最后是采用RS-485接口的有线在WIFI基站和地面监控主机之间通信，因为有线传输数据量大。且

16、RS-485最高数据传输速率可以达到10Mbps、抗共模噪声干扰能力强、传输距离远等性能均优于RS-232，故采用RS-485接口。但监控主机接口为RS-232，所以需要接口转换电路，下图是RS-232/RS-485转换电路。背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 环境监测系统采用BM100无线温度传感器采集环境温度数据，采用安帕尔AP-G-CH4-4无线固定式甲烷传感器采集瓦斯浓度数据。这两种传感器都是以无线方式传输采集的数据，具有功耗低，使用寿命长，能适应井下恶劣环境和安装方便等优点。可以通过设定采集频率，进行间歇性工作，以进一步降低能耗。安帕尔AP

17、-G-CH4-4无线固定式甲烷传感器背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 本文系统的软件部分包括射频系统软件、通信系统软件、环境监测系统软件、监控主机软件四个部分。下面两图分别是射频标签软件流程图和射频读写器软件流程图。背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 左下图为通信系统WIFI路由器和基站软件流程图，右下图为环境传感器软件流程图。背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 监控主机软件主要是数据库的创建和界面功能软件的编写。下图是系统全局数据流图，抽象描述了系统中数据的产

18、生、处理和存储流动过程，主要包含外部实体、数据流、处理环节和存储环节四个部分。背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 本文采用SQL Server 2008数据库并借助于SQL Server Management Studio（SSMS）数据库管理工具完成了系统数据库的构建，基于Visual Studio 2010(VS2010)软件开发平台，使用Windows窗体应用程序设计了人机监控系统的界面和功能窗口，并联合SQL Server 2008数据库进行了测试。下面是测试结果截图。测试测试背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软

19、件 测试总结 如图所示为数据库中存储的各类表格，背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 下图界面具有查询、添加、修改、删除数据库表格信息的功能。背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 下图是井下人员和设备位置实时显示界面和调度管理界面，通过标签ID可以定位到标签对应的人员，使其位置在图上闪烁，然后通过呼叫按钮可以与其实时通信，达到调度指挥的目的。背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 下图是井下人员和设备历史轨迹查询界面，通过标签ID和时间段，可以显示该标签对应的人员或设备在

20、该时间段内的移动轨迹，实心圆是起始点。背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 下图是井下某环境监测节点温度传感器在某时间段内监测到的温度值变化曲线，通过传感器ID和时间段可以绘制出传感器所在位置的温度变化曲线或瓦斯浓度变化曲线。总结总结背景意义 研究现状 需求分析 总体结构 定位算法 通信协议 硬件软件 测试总结 本文系统基本实现了六个主要功能，但在以下几个方面还有待进一步完善提高通信系统传输效率提高通信系统传输效率 系统的传感器是按照一定频率来采集数据，当数据没有变化时仍被采集和上传，占用了通信系统的资源，所以应采用不变不传的设计理念来提高通信系统的传输效率。提高数据利用率提高数据利用率提高系统安全性提高系统安全性 目前系统对数据只是进行了初步处理，没有充分利用，应进一步开发专家诊断、专家决策系统软件对数据进行深加工利用，使系统具备故障自诊断、事件辅助决策等功能 主要涉及传感器网络安全、RFID安全、无线接入安全、数据处理和存储安全等方面，需要从硬件和软件两方面来提高系统安全性，使系统更加稳定可靠。谢谢谢谢!Thank You!Thank You!