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基于WiFi的井下人员定位系统研究与设计

作　者: 王喆
导　师: 王李管
学　校: 中南大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: WiFi技术定位算法人员定位系统控制平台软件
分类号: TD79
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

目前我国的矿山生产行业事故频发,且由于矿山作业条件的特殊性、矿山管理信息化程度不够,井下的安全生产、人员管理和灾后救援是矿山生产的重要难题。井下人员定位系统的建设将帮助矿山进行人员考勤、日常管理、灾后急救、跟踪定位等。近年来,随着高科技的飞速发展,无线传感器网络技术由于有统一技术标准、低成本、低功耗、抗干扰能力强、传输距离远等多种优越性,使其开始在矿井人员定位系统中受到广泛重视。本文对基于WiFi技术的井下人员定位系统进行研究和设计,主要内容如下：(1)阐述了RFID技术、ZigBee技术、WiFi技术的基本原理,详细的对比分析这三种目前主要应用于地下移动目标跟踪的技术,进行无线通信平台的选型,最终选择了优势较多的WiFi技术,并从多方面对WiFi通信平台的安全可靠性进行分析。(2)分析了基于无线传感器网络定位技术的定位算法原理,包括RSSI、TOA、TDOA、AOA。通过对比分析实现无线定位技术的选择,并对基于三维模型的RSSI定位进行研究,采用基于固定节点距离的定位方法进行定位,提出采用高斯模型对测得的RSSI值进行修正和筛选,最后提出了一种新的计算结果优化方法以提高定位技术的准确性。(3)实现了人员定位系统的设计。首先对系统总体构架进行设计,对提高网络可靠性和设备安装安全要求进行了分析。主要包括两部分设计内容：WiFi综合数字通信平台的设计和人员定位功能的设计；其次进行了系统的硬件选型(基站、定位卡、交换机)和软件设计(数据采集、接口、控制平台软件等)。(4)将系统方案应用与矿山实例。通过详细分析狮子山的实际需求,进行WiFi综合通讯平台的布置；结合人员定位算法,采用WiFi基站进行分中段定位,实现了人员定位系统功能；建立了基于三维可视化平台的集成管理与分析软件系统,实现监控显示、定位、报警提示、轨迹跟踪、考勤管理等功能。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-16
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-14
    1.2.1 井下人员定位研究现状  11-13
    1.2.2 WiFi技术定位研究现状  13-14
  1.3 论文研究主要内容及技术路线  14-16
第二章无线通信平台  16-32
  2.1 常见的定位技术  16-20
    2.1.1 RFID技术  16-18
    2.1.2 ZigBee技术  18-20
  2.2 WiFi技术  20-25
    2.2.1 WiFi概述  20-21
    2.2.2 WiFi的网络拓扑结构  21-23
    2.2.3 物理层  23-24
    2.2.4 MAC层  24-25
  2.3 无线通信技术对比分析  25-28
  2.4 无线通信平台选定  28
  2.5 WiFi通信平台安全可靠性分析  28-31
    2.5.1 设备可靠性  28-29
    2.5.2 链路可靠性  29-30
    2.5.3 无线电波对人体的危害分析  30
    2.5.4 无线电波对电雷管的激发效应分析  30
    2.5.5 网络安全体系  30-31
    2.5.6 数据备份体系  31
  2.6 本章小结  31-32
第三章定位算法分析  32-43
  3.1 基于测距的定位算法  32-35
    3.1.1 基于RSSI的定位机制  32-33
    3.1.2 基于TOA的定位机制  33-34
    3.1.3 基于TDOA的定位机制  34
    3.1.4 基于AOA的定位机制  34-35
  3.2 定位算法的选择分析  35-36
  3.3 基于三维模型的RSSI定位研究  36-42
    3.3.1 合理布置基站位置  36-37
    3.3.2 添加约束  37
    3.3.3 测距机理  37-39
    3.3.4 校正模型  39-40
    3.3.5 基于固定节点距离的定位  40-41
    3.3.6 计算结果优化  41-42
  3.4 本章小结  42-43
第四章人员定位系统设计  43-65
  4.1 系统总体构架设计  43-45
    4.1.1 总体架构拓扑结构  44
    4.1.2 提高主干环网和子网网络可靠性分析  44-45
  4.2 WiFi综合数字通信平台系统设计  45-48
    4.2.1 基本原则与技术特点分析  45-46
    4.2.2 通信平台系统安全设计  46
    4.2.3 光纤及基站安全要求分析  46-48
  4.3 定位功能设计  48-50
    4.3.1 人员定位系统方法  48-49
    4.3.2 WiFi人员跟踪定位总体构架  49-50
  4.4 系统硬件选型  50-53
    4.4.1 基站  50-51
    4.4.2 定位卡  51-52
    4.4.3 交换机  52-53
  4.5 系统软件设计  53-64
    4.5.1 数据采集  53-58
    4.5.2 运行环境需求  58
    4.5.3 控制平台软件系统构架  58-60
    4.5.4 控制平台软件系统逻辑结构  60-61
    4.5.5 控制平台软件系统模块设计  61-64
  4.6 本章小结  64-65
第五章系统实现及应用  65-81
  5.1 狮子山铜矿简介  65
  5.2 WiFi综合数字通信平台总体布置  65-73
    5.2.1 狮子山铜矿井下通信需求分析  65-67
    5.2.2 总体布置及主干环网设计  67-69
    5.2.3 子网设计  69-71
    5.2.4 WiFi综合数字通信平台主要设备  71-73
  5.3 定位功能实现  73-78
    5.3.1 人员定位系统功能实现  73
    5.3.2 人员定位系统分中段定位  73-76
    5.3.3 人员定位系统主要设备技术参数  76
    5.3.4 人员定位系统主要设备  76-78
  5.4 系统融合及综合控制平台  78-80
    5.4.1 矿山调度指挥中心  78-79
    5.4.2 安全避险系统融合  79
    5.4.3 控制平台软件系统特点  79-80
  5.5 本章小结  80-81
第六章结论与展望  81-84
  6.1 结论  81-82
  6.2 创新点  82
  6.3 展望  82-84
参考文献  84-88
致谢  88-89
攻读学位期间主要研究成果  89

基于WiFi的井下人员定位系统研究与设计

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