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近几年,我国煤矿安全形势逐渐变好,但煤矿事故依旧是此起彼伏。当事故发生后,如何快速、准确地找到井下被困人员,对于有效地开展救援工作,从而减少人员伤亡和经济损失有着极为重要的意义。在重庆市科技攻关计划项目“煤矿安全管理与定位救援系统”(CSTC2009AC6203)的支撑下,完成了本论文的选题和研究。在无线个域网(WPAN)中异军突起的ZigBee无线通信技术,具有成本低廉、功耗低、组网灵活等优点,非常适合应用于低成本、低功耗的煤矿安全管理系统中对井下人员的定位和管理。因此,将ZigBee应用于井下,能卓有成效地提升煤矿安全生产和管理水平。
本文首先在查阅国内外相关文献的基础上,对现有定位技术进行了分析、比较和总结,然后结合井下环境和井下人员定位要求,提出了基于ZigBee的加权改进Euclidean定位算法;为了进一步减小误差,又提出了基于泰勒展开式的加权改进Euclidean定位算法;最后介绍了井下人员定位系统的详细设计,包括各模块的硬件设计和软件流程设计。主要贡献如下:①对国内外典型的定位技术和井下定位系统进行了分析和比较,着重讨论了这些技术和系统存在的问题。同时,在比较和分析的基础上,也探讨了各算法的性能优劣;针对井下环境,并结合ZigBee技术的优点,提出了一种应用于井下环境的基于ZigBee的加权改进Euclidean定位算法。此算法在改进Euclidean算法的基础上,引进了信标节点加权因子的概念,同时结合质心定位的思想来求解未知节点位置;为了进一步减小误差,又提出了一种基于泰勒展开式的加权改进Euclidean定位算法。此算法利用泰勒展开式对未知节点的初始坐标进行修正。仿真实验验证了基于泰勒展开式修正原理的正确性;比较了ZigBee主流芯片的性能,最终采用TI公司的CC2530芯片作为核心芯片,成功研制出能应用于井下的ZigBee模块,并利用此模块测量了大量的RSSI可靠数据;基于IEEE802.15.4,设计了一个针对井下人员定位系统的具体实施方案,给出了该方案中各模块的硬件设计和软件设计。系统实现后的实际场地测试结果表明:该系统可以应用于井下定位。