中南大學(xué)畢業(yè)答辯PPT模板

指導(dǎo)老師：某某某教授基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山井下人機(jī)監(jiān)控學(xué)生：某某某電氣工程及其自動(dòng)化1204班概述人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基于實(shí)現(xiàn)接受包含識(shí)別定位功能位置顯示功能軌跡查詢功能調(diào)度指揮功能環(huán)境監(jiān)測(cè)功能報(bào)警管理功能無線傳感網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)人員設(shè)備定位子系統(tǒng)調(diào)度指揮子系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)傳感器技術(shù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)庫軟件技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)井下的識(shí)別和通信都接受無線方式分析系統(tǒng)需求并構(gòu)建總體結(jié)構(gòu)框架構(gòu)建了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的通信協(xié)議選擇了合適的定位算法編寫了監(jiān)控系統(tǒng)的界面和功能實(shí)現(xiàn)程序本文的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面書目1背景意義2探討現(xiàn)狀3需求分析4總體結(jié)構(gòu)5定位算法6通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)78背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件●井下改用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，隨著采掘推動(dòng)可以剛好跟進(jìn)部署●實(shí)時(shí)定位人員和設(shè)備位置，便于調(diào)度指揮和管理●禁區(qū)報(bào)警可以預(yù)防事故，災(zāi)難報(bào)警能夠剛好組織撤離●軌跡回放提高事故救援效率，減小損失●礦業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分●技術(shù)和管理落后導(dǎo)致事故頻發(fā)●目前多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)重環(huán)境監(jiān)測(cè)，人機(jī)定位方面不足●井下大多接受有線網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，難以跟進(jìn)部署●物聯(lián)網(wǎng)的興起為監(jiān)控系統(tǒng)信息化和智能化供應(yīng)了有效的解決方案測(cè)試總結(jié)背景意義識(shí)別技術(shù)目前用于井下人員和設(shè)備識(shí)別的技術(shù)主要是無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、限制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）等通信技術(shù)目前用于井下數(shù)據(jù)通信的技術(shù)主要是WiFi無線通信技術(shù)、ZigBee無線通信技術(shù)、碼分多址（CDMA）通信技術(shù)以及泄露和透地通信技術(shù)等定位算法目前常用的井下定位算法是三點(diǎn)定位算法、質(zhì)心定位算法、三角測(cè)量定位算法、基于信號(hào)傳播時(shí)間或時(shí)間差定位算法以及基于RSSI測(cè)距的定位算法背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)功能描述識(shí)別定位能夠區(qū)分井下的每一個(gè)人員和設(shè)備的身份標(biāo)志和確定他們的實(shí)時(shí)位置，為后續(xù)功能提供基礎(chǔ)支持位置顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上動(dòng)態(tài)顯示和更新井下人員和設(shè)備的位置分布情況，以便監(jiān)控人員動(dòng)向和井下生產(chǎn)狀態(tài)軌跡查詢能夠記錄和查詢每一個(gè)人員和設(shè)備最近的任意時(shí)刻在井下的具體位置和行動(dòng)軌跡，便于在事故發(fā)生后確定井下人員的位置分布并實(shí)施相應(yīng)的救助方案調(diào)度指揮能夠根據(jù)人員和設(shè)備的位置信息進(jìn)行調(diào)度指揮管理，分派人員和設(shè)備到需要的區(qū)域執(zhí)行任務(wù)環(huán)境監(jiān)測(cè)能夠通過井下布置的環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器采集周圍環(huán)境信息并上傳到地面監(jiān)控系統(tǒng)分析處理，確保生產(chǎn)環(huán)境安全報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)井下作業(yè)人員進(jìn)入危險(xiǎn)禁區(qū)自動(dòng)報(bào)警功能、井下作業(yè)人員與井上監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)井下危險(xiǎn)時(shí)互相報(bào)警功能，使得發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)井下作業(yè)人員能夠及時(shí)撤離危險(xiǎn)區(qū)域系統(tǒng)功能需求表

系統(tǒng)的工作原理是：射頻收發(fā)器安裝在礦井下已知的參考位置，有源射頻標(biāo)簽由井下人員和設(shè)備攜帶。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入收發(fā)器的識(shí)別范圍后，收發(fā)器就會(huì)接收到有源射頻標(biāo)簽發(fā)出的身份信息。然后，收發(fā)器和環(huán)境傳感器分別將采集的標(biāo)簽信息和環(huán)境數(shù)據(jù)傳送給WIFI路由器，WIFI路由器再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給WIFI基站經(jīng)有線傳送給井上的人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，由系統(tǒng)的各功能模塊軟件來分析利用上傳的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)各自的識(shí)別定位、記錄存儲(chǔ)、軌跡查詢、調(diào)度指揮、環(huán)境監(jiān)測(cè)和報(bào)警管理等功能。背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)本文系統(tǒng)接受三點(diǎn)定位和質(zhì)心定位相結(jié)合的定位算法，井下巷道模型如下已知射頻收發(fā)器節(jié)點(diǎn)1、2、3的坐標(biāo)分別為J1（x1，y1）、J2（x2，y2）、J3（x3，y3）接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）測(cè)距公式為可以求出井下人員或設(shè)備到節(jié)點(diǎn)1、2、3的距離分別為那么分別以J1、J2、J3為圓心，以d1、d2、d3為半徑的圓相交于一點(diǎn)，這一點(diǎn)的坐標(biāo)就是井下人員或設(shè)備的坐標(biāo)聯(lián)立以上式子就可以求出井下人員和設(shè)備的坐標(biāo)在RSSI值沒有誤差的志向狀況下必有唯背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)一解，即三個(gè)圓相較于一點(diǎn)，如下圖A所示個(gè)交點(diǎn)，將兩個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)分別代入(x3-x)2+(y3-y)2中比較大小，較小的即為距離圓J3圓心較近的交點(diǎn)坐標(biāo)（xc，yc），同理可以求得圓J2、J3的兩個(gè)交點(diǎn)中距離圓J1圓心較近的交點(diǎn)坐標(biāo)（xa，ya）和圓J1、J3的兩個(gè)交點(diǎn)中距離圓J2圓心較近的交點(diǎn)坐標(biāo)（xb，yb），最終依據(jù)質(zhì)心算法可以求得人員或設(shè)備坐標(biāo)為而在實(shí)際狀況下，由于RSSI測(cè)距值誤差的存在，可能出現(xiàn)圖B所示的狀況，即三個(gè)圓不能相交于一點(diǎn)。由下面的方程組可以求出圓J1、J2的兩背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)●限制部分低位字節(jié)C_L表示具體的限制叮囑，高位字節(jié)C_H用來表示裝置類型。如C_H為1、2、3時(shí)分別表示射頻標(biāo)簽、讀寫器、溫度傳感器，當(dāng)C_H為5、6、7等時(shí)，可留待表示后續(xù)系統(tǒng)擴(kuò)展的裝置，如濕度傳感器等?！衲繕?biāo)ID表示該幀須要發(fā)送到的目的裝置的身份，來源ID表示數(shù)據(jù)的來源，讀寫器ID表示射頻讀寫器的身份。●數(shù)據(jù)部分高位字節(jié)表示整數(shù)，低位字節(jié)表示小數(shù)，是須要傳輸?shù)木唧w數(shù)據(jù)，本文為RSSI測(cè)距值、溫度傳感器測(cè)量的溫度值或者瓦斯傳感器測(cè)量值，當(dāng)系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)展各種傳感器時(shí)，可以為各傳感器的測(cè)量值?！駧?hào)作用是丟棄重復(fù)的幀，每當(dāng)發(fā)送一個(gè)新幀的時(shí)候，就將幀號(hào)加一，從0到255不斷循環(huán)，這樣在確定時(shí)間內(nèi)路由器就可以區(qū)分接收的幀是否為重復(fù)幀，假如重復(fù)則丟棄，從而去除了冗余數(shù)據(jù)，提高了傳輸效率。●校驗(yàn)部分通過對(duì)除了幀頭字節(jié)和校驗(yàn)字節(jié)外的其余部分進(jìn)行異或得到，通過校驗(yàn)字的奇偶性來確定數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。

無線通信協(xié)議幀格式幀頭控制目標(biāo)ID來源ID讀寫器ID數(shù)據(jù)幀號(hào)校驗(yàn)0123~45~67~891011120x7EC_HC_LDIDTIDRID整數(shù)小數(shù)自增XOR背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)●以4個(gè)@作為每個(gè)數(shù)據(jù)包的起先來區(qū)分各個(gè)數(shù)據(jù)包●限制：共2個(gè)字節(jié)，其作用和無線通信協(xié)議幀中的限制部分作用一樣，可擴(kuò)展設(shè)備?！竦刂凡糠譃楦鱓IFI基站的身份標(biāo)記，包長(zhǎng)部分用來表示該數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)部分的長(zhǎng)度●數(shù)據(jù)部分字節(jié)長(zhǎng)度可變，可以包含多組數(shù)據(jù)來源ID、射頻讀寫器ID和數(shù)據(jù)值的組合，實(shí)現(xiàn)了打包批量發(fā)送，在單位時(shí)間內(nèi)提高了傳輸效率●包號(hào)同無線通信協(xié)議幀中的幀號(hào)一樣，數(shù)據(jù)包從0到255循環(huán)編號(hào)，可以起到去重去冗余的作用●校驗(yàn)部分作用同無線通信協(xié)議幀中的校驗(yàn)，通過收到的數(shù)據(jù)的奇偶性來檢查有無傳輸錯(cuò)誤

有線通信協(xié)議數(shù)據(jù)包格式包頭控制地址包長(zhǎng)數(shù)據(jù)包號(hào)校驗(yàn)4字節(jié)2字節(jié)2字節(jié)2字節(jié)長(zhǎng)度可變1字節(jié)1字節(jié)@@@@CMDaddresslengthchange自增XOR背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)無線幀到有線數(shù)據(jù)包的封裝示意圖如下，WIFI路由器傳送的無線數(shù)據(jù)幀在WIFI基站進(jìn)行接收和校驗(yàn)后，首先通過封裝打包成數(shù)據(jù)包，接著數(shù)據(jù)包通過有線傳送到地面監(jiān)控主機(jī)，最終由監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行解包、分析和處理。對(duì)幀數(shù)據(jù)進(jìn)行這樣的封裝，去掉了幀頭、限制、目標(biāo)ID、幀號(hào)和校驗(yàn)部分，提取了監(jiān)控主機(jī)須要的有用數(shù)據(jù)，從而大大削減了數(shù)據(jù)量，提高了傳輸效率。背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)本文系統(tǒng)的硬件分為三個(gè)部分，即射頻系統(tǒng)硬件、通信系統(tǒng)硬件和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件?？紤]井下空間狹小和更換電池不便，系統(tǒng)各部分芯片的選型都充分考慮了小體積低功耗性能和節(jié)能工作模式射頻系統(tǒng)硬件主要是射頻芯片和限制芯片的選擇以及它們之間的連接方式。射頻芯片選擇工作在2.4~2.5GHz的ISM頻段的nRF24L01射頻芯片，QFN204x4mm封裝使得體積特殊小，能耗低，具有掉電和待機(jī)兩種節(jié)能模式。右圖是該芯片組成的射頻前端電路，通過SPI接口可以與各種類型的微處理器相連。背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)

射頻系統(tǒng)的微處理器芯片選用AT89LV51單片機(jī)，其工作電壓低、功耗低，可以通過軟件方式選擇待機(jī)和掉電兩種省電工作模式。左圖是射頻系統(tǒng)的限制電路，微處理器是AT89LV51，存儲(chǔ)器是串行的E2PROM25AA320芯片，具有電可擦除特點(diǎn)，可讀可寫。背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)樣削減了放射切換次數(shù)和放射總時(shí)間，使放射模塊斷斷續(xù)續(xù)地工作，從而將功耗降到最低。另外，處理器不參與整個(gè)雙向鏈路通信，而是由nRF24L01芯片的增加型突發(fā)傳遞工作模式來處理鏈路層的全部高速操作，因此，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功耗。在掉電模式下，整個(gè)系統(tǒng)的功能元件除了SPI接口外全部停止工作。而在待機(jī)模式下，系統(tǒng)部分功能器件停止工作，以節(jié)約能量，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器范圍后喚醒電路，脫離待機(jī)模式。右圖是射頻芯片和限制芯片通過SPI方式連接示意圖。兩個(gè)10K電阻避開了讀入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)相互干擾。由此組成的射頻系統(tǒng)具有突發(fā)傳遞收發(fā)模式、掉電模式、待機(jī)模式三種工作模式。在突發(fā)傳遞收發(fā)工作模式下，射頻芯片內(nèi)部有FIFO緩沖區(qū)，可以先將數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)內(nèi)組合成信息幀，然后集中快速發(fā)送出去，這背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)如左上圖所示，通信系統(tǒng)接受樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)潔擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)、故障隔離簡(jiǎn)潔、成本低廉，適合于隨采掘推動(dòng)跟進(jìn)部署。通信系統(tǒng)WIFI路由和基站硬件主要部分由WIFI芯片RN-131和微處理器MSP430FG4618連接而成，RN-131是具有三個(gè)獨(dú)立電源區(qū)域的超低功耗WIFI集成芯片，在運(yùn)行過程中可以依據(jù)須要使不工作的電源區(qū)域關(guān)斷，從而極大地降低了芯片的功耗。MSP430FG4618微處理器具有5種節(jié)能模式，特地為延長(zhǎng)電池運(yùn)用壽命而優(yōu)化。右圖是兩芯片連接示意圖，微處理器通過SPI接口CLK給WIFI芯片供應(yīng)時(shí)鐘頻率，并通過UART接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)通信系統(tǒng)最終是接受RS-485接口的有線在WIFI基站和地面監(jiān)控主機(jī)之間通信，因?yàn)橛芯€傳輸數(shù)據(jù)量大。且RS-485最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到10Mbps、抗共模噪聲干擾實(shí)力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等性能均優(yōu)于RS-232，故接受RS-485接口。但監(jiān)控主機(jī)接口為RS-232，所以須要接口轉(zhuǎn)換電路，下圖是RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換電路。背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接受BM100無線溫度傳感器采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，接受安帕爾AP-G-CH4-4無線固定式甲烷傳感器采集瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)。這兩種傳感器都是以無線方式傳輸采集的數(shù)據(jù)，具有功耗低，運(yùn)用壽命長(zhǎng)，能適應(yīng)井下惡劣環(huán)境和安裝便利等優(yōu)點(diǎn)?？梢酝ㄟ^設(shè)定采集頻率，進(jìn)行間歇性工作，以進(jìn)一步降低能耗。安帕爾AP-G-CH4-4無線固定式甲烷傳感器背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)

本文系統(tǒng)的軟件部分包括射頻系統(tǒng)軟件、通信系統(tǒng)軟件、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件、監(jiān)控主機(jī)軟件四個(gè)部分。下面兩圖分別是射頻標(biāo)簽軟件流程圖和射頻讀寫器軟件流程圖。背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)

左下圖為通信系統(tǒng)WIFI路由器和基站軟件流程圖，右下圖為環(huán)境傳感器軟件流程圖。背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)監(jiān)控主機(jī)軟件主要是數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建和界面功能軟件的編寫。下圖是系統(tǒng)全局?jǐn)?shù)據(jù)流圖，抽象描述了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、處理和存儲(chǔ)流淌過程，主要包含外部實(shí)體、數(shù)據(jù)流、處理環(huán)節(jié)和存儲(chǔ)環(huán)節(jié)四個(gè)部分。背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)本文接受SQLServer2008數(shù)據(jù)庫并借助于SQLServerManagementStudio（SSMS）數(shù)據(jù)庫管理工具完成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，基于VisualStudio2010(VS2010)軟件開發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用Windows窗體應(yīng)用程序設(shè)計(jì)了人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的界面和功能窗口，并聯(lián)合SQLServer2008數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了測(cè)試。下面是測(cè)試結(jié)果截圖。測(cè)試背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)

如圖所示為數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的各類表格，背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)

下圖界面具有查詢、添加、修改、刪除數(shù)據(jù)庫表格信息的功能。背景意義探討現(xiàn)狀需求分析總體結(jié)構(gòu)定位算法通信協(xié)議硬件軟件測(cè)試總結(jié)下圖是井下人員和設(shè)備位置實(shí)時(shí)顯示界面和調(diào)度管理界面，通過標(biāo)簽ID可以定位到標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的人