Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感集成的煤礦綜合監測設計

我國作為世界產(chǎn)煤大國，煤礦產(chǎn)量占世界35％。但我國同時(shí)也是礦難大國，因礦難的死亡人數竟占世界的80％，煤礦百萬(wàn)噸死亡率是美國的100倍、南非的30倍。這其中大多是因為瓦斯爆炸引起的，嚴重威脅著(zhù)礦工的生命安全。因此煤礦都需要建立完善的自動(dòng)監測、預警系統，對礦井中的瓦斯、一氧化碳等易燃易爆氣體含量以及溫度、濕度等重要參數及時(shí)掌握，保證工作環(huán)境的安全。

　　目前傳統的管理方式基本都是靠工作人員實(shí)地觀(guān)測并通過(guò)對講機等通訊設施，人工向監控中心匯報情況，安全性和實(shí)時(shí)性都較差，還可能造成無(wú)法發(fā)現、漏報、遲報等危險。因此基于各種網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)監測系統成為了煤礦安全生產(chǎn)發(fā)展的方向。

　　國內目前在礦區使用的較成熟的監測系統，大多采用有線(xiàn)方式，如KJF2000、KJ4／KJ2000等系統。但有線(xiàn)系統存在著(zhù)布線(xiàn)麻煩、設備無(wú)法隨意移動(dòng)、難以進(jìn)行人員跟蹤定位等缺點(diǎn)。因此基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)監測系統成為了目前研究和應用的重點(diǎn)，但這些系統大多處于研究階段，相關(guān)現場(chǎng)設備大多是自主研發(fā)的樣機，可靠性和實(shí)用性不高，而且往往功能單一。

　　本文通過(guò)對成熟的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )設備和各種現場(chǎng)傳感器的集成應用，實(shí)現對煤礦作業(yè)現場(chǎng)的溫濕度、瓦斯濃度以及人員定位等重要信息的實(shí)時(shí)監測，具有系統開(kāi)發(fā)難度低、可靠性高、功能全面等特點(diǎn)。

　　1 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )及設備

　　隨著(zhù)計算機、通信和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )應運而生。工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是從新興的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )發(fā)展而來(lái)的，具有低成本、低功耗、高度靈活性、擴展性強等特點(diǎn)，已經(jīng)成為繼現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)后的又一個(gè)研究熱點(diǎn)，文獻對于工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的現狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究和對比?？紤]到Zigbee技術(shù)應用的廣泛性和成熟性，因此該項目采用Disi公司基于Zigbee協(xié)議的工業(yè)用ConnectPort X網(wǎng)關(guān)及XBee ZB適配器產(chǎn)品。

　　1．1 Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議

　　Zigbee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據傳輸率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，由IEEE 802．15．4和Zigbee聯(lián)盟共同制定。Zi gbee技術(shù)廣泛應用于各種短距低速的場(chǎng)合，如醫療護理、汽車(chē)自動(dòng)化、農業(yè)自動(dòng)化和遙測遙控等。Zigbee的網(wǎng)絡(luò )設備通常分為三類(lèi)：中心協(xié)調器（PAN Coordinatox）、路由器（Router）和終端節點(diǎn)（End Device）。其中前兩類(lèi)具有路由功能，可組成全Mesh網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。而終端節點(diǎn)不具有路由功能，只能與中心協(xié)調器或路由器單跳連接，組成星型網(wǎng)絡(luò )。終端節點(diǎn)的優(yōu)勢是可以進(jìn)入休眠模式，以降低功耗。由這三類(lèi)設備可組成各種不同的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，如圖1所示。

　　作為全球Zigbee和數傳領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，美國Digi公司擁有完整的Zigbee產(chǎn)品和解決方案。其中加強型Zigbee系列（XBee Pro）室外可視距離達到1．6 km，最大傳輸速率250 kbps，支持最新的Zigbee Pro協(xié)議，參數可配置，可組成任意網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，具有網(wǎng)絡(luò )安全加密、路由／終端節點(diǎn)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò )、信道跳頻等特點(diǎn)。并且作為工業(yè)級產(chǎn)品，具有較高的可靠性和工業(yè)應用價(jià)值。

　　1．2 ConnectPort X網(wǎng)關(guān)

　　ConnectPort X網(wǎng)關(guān)為無(wú)線(xiàn)XBee網(wǎng)絡(luò )上的終端設備提供IP網(wǎng)絡(luò )連接。網(wǎng)關(guān)采集終端節點(diǎn)數據，處理后通過(guò)以太網(wǎng)、Wifi或無(wú)線(xiàn)蜂窩連接發(fā)送到上級應用?？蛇x多種配置。同時(shí)內置Python開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用戶(hù)可以在網(wǎng)關(guān)中實(shí)現應用的定制，支持不同應用。

　　ConnectPort X網(wǎng)關(guān)具有連接狀態(tài)及信號強度等指示，采用4”全向天線(xiàn)，通過(guò)10／100Mbps自適應RJ-45以太網(wǎng)端口實(shí)現與上級計算機的連接。采用工業(yè)金屬外殼設計，6～30VDC輸入電壓，安全性和電磁兼容性／抗擾度達到國際標準。