毕业设计题目：智能矿井人员安全管理与区域控制系统设计与实现

1. 系统总体设计

1.1 系统架构

• 感知层：传感器网络（环境监测、人员定位、设备状态）

• 网络层：有线/无线通信（工业以太网、LoRa、5G/Wi-Fi 6）

• 控制层：边缘计算节点、PLC/工控机

• 应用层：安全管理平台、可视化监控、预警与应急控制

1.2 功能模块

• 人员定位与轨迹追踪（UWB/RFID/ZigBee）

• 环境监测（瓦斯、CO、温湿度、粉尘、风速）

• 设备状态监控（风机、水泵、运输设备）

• 区域准入控制（危险区域权限管理）

• 应急管理与逃生引导（声光报警、最优逃生路径规划）

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2. 硬件子系统设计

2.1 感知层设备

• 环境传感器：

  • 瓦斯/CO检测（红外/电化学传感器）

  • 温湿度、气压、粉尘监测

  • 风速/风向传感器（通风系统优化）

• 人员定位终端：

  • UWB（高精度定位，<30cm误差）

  • RFID（门禁与区域权限管理）

  • 智能矿灯（集成定位、SOS报警）

• 视频监控：

  • 防爆摄像头（AI行为识别）

  • 热成像（火灾预警）

2.2 网络通信

• 有线网络：工业以太网（核心控制）

• 无线网络：

  • LoRa（长距离低功耗，环境监测）

  • 5G/Wi-Fi 6（高清视频回传）

  • ZigBee/Mesh（设备互联）

2.3 控制与执行设备

• 边缘计算节点：本地数据处理（减少云端依赖）

• PLC/工控机：风机/水泵/运输设备控制

• 声光报警器：紧急情况预警

• 智能门禁：危险区域准入管理

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3. 软件子系统设计

3.1 核心功能模块

• 人员管理

  • 实时定位与电子围栏

  • 考勤与工时统计

  • 危险区域权限管控

• 环境监测

  • 多参数融合分析（瓦斯、温湿度、O₂等）

  • 超限预警与联动控制（如瓦斯超标自动停风）

• 设备监控

  • 运行状态监测（振动、温度、电流）

  • 预测性维护（基于数据分析）

• 应急管理

  • 逃生路径规划（动态避障）

  • SOS一键报警与救援调度

3.2 数据分析与决策

• 大数据分析：历史数据挖掘（事故预测）

• AI算法应用：

  • 人员行为识别（跌倒、违规操作）

  • 环境异常预测（瓦斯突出预警）

• 数字孪生：3D矿井模型，实时仿真

3.3 可视化界面

• GIS地图：人员、设备、环境数据可视化

• 移动端APP：管理人员实时监控

• 大屏指挥中心：全局态势感知

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4. 关键技术研究

4.1 高精度定位技术

• UWB + IMU（惯性导航）融合定位

• 多基站协同抗干扰

4.2 多传感器数据融合

• 卡尔曼滤波/神经网络数据降噪

• 多源信息协同决策

4.3 低功耗广域通信

• LoRa + 5G混合组网

• 抗多径干扰优化

4.4 边缘-云端协同计算

• 本地实时控制（低延迟）

• 云端大数据分析（长期趋势预测）

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5. 系统测试与验证

5.1 测试方案

• 实验室仿真：模拟矿井环境测试

• 现场试点：小范围部署验证

• 压力测试：高并发定位、通信稳定性

5.2 性能指标

• 定位精度：<30cm（UWB）

• 响应时间：<500ms（从检测到报警）

• 系统可用性：>99.9%（冗余设计）

• 电池续航：>7天（人员终端）

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6. 安全与可靠性设计

• 防爆设计：本安型设备（Ex ia/ib）

• 冗余备份：双通信链路、备用电源

• 数据加密：AES-256 + TLS 1.3

• 容错机制：断网仍可本地控制

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7. 应用场景扩展

• 智慧矿山：无人化采掘、自动驾驶矿车

• 隧道工程：施工人员安全管理

• 地下管廊：巡检机器人协同

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8. 未来发展趋势

• 数字孪生+AI预测：事故提前预警

• 机器人巡检：替代人工高危作业

• 6G+卫星通信：深井无死角覆盖

运行结果展示：