ZigBee在煤礦井下救援系統中的應用

　　1引言

　　近年來(lái)，隨著(zhù)對煤炭需求的高速增長(cháng)，煤炭工業(yè)也得到很大發(fā)展，但是煤礦重大、特大事故時(shí)有發(fā)生，仍未實(shí)現對災害事故的有效控制。事故發(fā)生后，準確判定井下生產(chǎn)作業(yè)人員的受困位置、遇險人員撤退路線(xiàn)、井下的環(huán)境監測情況以及及時(shí)準確地制定救援方案，這對事故的救援是十分重要的，也是十分緊迫的任務(wù)。煤礦井下救援系統及其分系統一基于ZigBee技術(shù)的井下人員無(wú)線(xiàn)定位系統，就是在此背景下進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)的。

　　目前，礦井無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)主要有透地通信技術(shù)、中遠距離射頻感應通信技術(shù)、漏泄通信技術(shù)以及礦井移動(dòng)通信技術(shù)等。上述技術(shù)有的成木較高，有的功耗相對較大，還有的抗干擾能力相對較差等一些不足，在很大程度上阻礙了在礦業(yè)行業(yè)推廣應用。木文提出了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信系統成功解決上述問(wèn)題。

　　2煤礦井下救援系統的功能與關(guān)鍵技術(shù)

　　統計分析表明，全國煤礦瓦斯事故數占事故總數大約70%。因此木煤礦井下救援系統側重于瓦斯事故的救援管理，本系統的主要功能有:煤礦井下瓦斯實(shí)時(shí)監測數據采集、傳輸和處理;對出現的瓦斯事故進(jìn)行預警和救援支持;將包括瓦斯傳感器和井下作業(yè)人員等多種屬性數據信息實(shí)時(shí)顯示在電子地圖以及有關(guān)消息的網(wǎng)上發(fā)布等。煤礦井下救援系統的建設有利于安全監察部門(mén)和行業(yè)管理部門(mén)及政府其它部門(mén)、中介機構、輿論媒體協(xié)同工作，有利于實(shí)時(shí)的發(fā)現重大事故隱患、動(dòng)態(tài)排查隱患，跟蹤安全整改，將隱患處理于事故發(fā)生之前，從而最大限度地避免事故的發(fā)生，形成預警體系。

　　2.1GIS

　　地理信息系統（Geographic Information Systans GIS)，是信息系統的一種，它以表征地球表層空間地理現象和事物的地理空間數據和信息為特定的運作對象國。換言之，地理信息系統是對地理空間數據進(jìn)行處理加工提取有用的地理空間信息乃至知識的系統?？偲饋?lái)說(shuō)地理信息系統主要包括的功能有，例如，地理空間數據的采集、存儲、顯示、操作、管理、分析、建立分析模型。本文所采用的GIS技術(shù)，將地球表層空間數據延伸到地球表層以下，用于井下巷道圖、設備分布圖，瓦斯傳感器分布圖、瓦斯監測數據、人員動(dòng)態(tài)信息等空間數據和屬性數據的管理。

　　2.2無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是基于4G第四代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，3A自適應天線(xiàn)陣，及分布式網(wǎng)格計算技術(shù)，融合了傳統傳感與監測技術(shù)的下一代網(wǎng)絡(luò )（NGN）。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與傳統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )（如W LAN和蜂窩移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)絡(luò ))有著(zhù)不同的設計目標，后者在高度移動(dòng)的環(huán)境中通過(guò)優(yōu)化路由和資源管理策略最大化帶寬的利用率，同時(shí)為用戶(hù)提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證團。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，除了少數節點(diǎn)需要移動(dòng)以外，大部分節點(diǎn)都是靜正的。其中的設備體積小、能耗低，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳播信息，因此對比傳統的傳感器而言，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢。由這些微小的智能傳感設備所組成的網(wǎng)絡(luò )，不但能取代傳統的傳感設備，還能完成許多傳統控制，監視設備所做不到的任務(wù)。從國外已成熟的應用來(lái)看，在環(huán)境、軍事、水利電力、醫療、樓宇監測、交通和制造以及礦業(yè)井下作業(yè)等許多領(lǐng)域里，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )都有極大的應用價(jià)值。

　　典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )如圖1所示。該無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由眾多網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成，節點(diǎn)之間采用無(wú)線(xiàn)通信。節點(diǎn)包括普通節點(diǎn)、Sink節點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。普通節點(diǎn)和 Sink節點(diǎn)完成數據采集和多跳中繼傳輸，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)完成無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)信號轉換，實(shí)現以太網(wǎng)接入。節點(diǎn)以自組織形式構成網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)多跳中繼方式將監測數據傳到 sink節點(diǎn)，最終借助長(cháng)距離或臨時(shí)建立的鏈路將整個(gè)區域內的數據傳送到遠程中心進(jìn)行集中處理。

　　2.3幾種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)比較

　　藍牙技術(shù)是愛(ài)立信、諾基亞以及IBM等公司在1998年率先推出，主要用于通信和信息設備的無(wú)線(xiàn)連接。Wi-Fi（無(wú)線(xiàn)高保真)是一種無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，主要目的是提供W LAN接入。ZigBee是由英國、美國、荷蘭以及日木一些著(zhù)名的公司于2002年聯(lián)合推出的低成木、低功耗、短距離傳輸的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)。UWB即超寬帶技術(shù)又被稱(chēng)為脈沖無(wú)線(xiàn)發(fā)射技術(shù)，是指占用帶寬大于中心頻率的1/4或帶寬大于15G無(wú)線(xiàn)發(fā)射方案，作為商用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。ZigBee B1ueTeeth UWB, W i－Fi進(jìn)行性能比較[4 5 6]如表1所示。

　　從表1中可以得出低功耗、低成木的就是ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢，而這些恰好適用于煤礦井下巷道多曲折、多風(fēng)門(mén)等結構特點(diǎn)，電源供電限制嚴格、煤炭行業(yè)資金短缺等特點(diǎn)。盡管它有著(zhù)較低數據傳輸率，但是這一傳輸速度仍能夠滿(mǎn)足井下人員定位系統的需求。

　　2.4ZigBee

　　ZigBee是一種采用成熟無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的全球統一標準的開(kāi)放的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。它以IEEE 802.15.4協(xié)議為基礎，使182 2006.24計算機工程與應用用全球免費頻段進(jìn)行通訊，能夠在三個(gè)不同的頻段上通訊。全球通用的頻段是2.400GHz-2.484GHz,歐洲采用的頻段是868.0 MHz -868.6 6MHz美國采用的頻段是902MHz -928MHz傳輸速率分別為250kbps 20kbps和40kbps通訊距離的理論值為10m- 75m。

　　ZigBee最顯著(zhù)的技術(shù)特點(diǎn)是它的低功耗和低成木，由于采用較低的數據傳輸率，較低的工作頻段和容量更小的Stack并且將設備的ZigBee模塊在未使用的情況下進(jìn)入休眠狀態(tài)從整體上降低其功耗。

　　ZigBee體系結構如圖2所示。其中物理層、介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層和數據鏈路層基于IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)(WPAN)標準協(xié)議;ZigBee在 IEEE802.15.4標準基礎之上建立網(wǎng)絡(luò )層和應用支持層，包括巨大數量節點(diǎn)的處理最大節點(diǎn)數可以達到65000[3]個(gè))、ZigBee設備對象、用戶(hù)定義的應用輪廓以及應用支持層等。應用層則由用戶(hù)根據需要進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　　3基于ZigBee技術(shù)的井下人員定位

　　結合煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)的特殊性和要求，采用基于Z igBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現巷道內人員定位。通過(guò)基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò )將人員位置參數實(shí)時(shí)地傳輸到煤礦井下救援系統，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并在危險情況下及時(shí)報警并及時(shí)通知井下作業(yè)人員;事故發(fā)生后，可以輔助快速制定救援方案，減少人員的傷亡。

　　3.1硬件環(huán)境

　　實(shí)現基于無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的井下人員定位，需要使用高性能的微型計算機，并且采用雙顯示器和雙硬盤(pán)，CPU主頻不低于26GH z內存不小于512M，硬盤(pán)不小于120G，顯示器不低于19英寸，圖形顯示卡顯存不低于256M并且支持雙屏幕顯示以及CD-RW或磁帶機，也可以采用專(zhuān)業(yè)圖形工作站(要求雙顯示器和雙硬盤(pán))。飛思卡爾公司的24GHz MC13192射頻收發(fā)器，數據調制解調器。

　　3.2軟件環(huán)境

　　定位系統在Microsoft Windows 2000 Server操作系統環(huán)境下開(kāi)發(fā)，采用的開(kāi)發(fā)工具是VB. net選用MapX5.0和Map info Professional7.5完成系統的G1S部分的開(kāi)發(fā)，后臺數據庫使用Oracle數據庫系統。飛思卡爾公司的MC 13192+GT60開(kāi)發(fā)套件工具。

　　3.3數據通訊網(wǎng)絡(luò )的組成

　　定位系統中的網(wǎng)絡(luò )主要由ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò )和以太網(wǎng)Ethernet (IEEE 802.3)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )組成。網(wǎng)絡(luò )可以覆蓋整個(gè)巷道，前端構建ZigBee網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據的采集和傳輸，后端由Ethernet構成主要的數據傳輸骨干通道。

　　由于井下巷道內對有線(xiàn)的電力供應有嚴格限制，Z igBee器件由電池供電，一節電池至少能夠使用6個(gè)月，符合其低功耗的特點(diǎn)。Ethe rne側絡(luò )在巷道內的部分也將由高容量的電池驅動(dòng)，其中的電池管理和更換，應當由專(zhuān)門(mén)制定的政策(Policy)來(lái)控制和監管，以保證整個(gè)系統的正常運行。

　　為保證ZigBee網(wǎng)絡(luò )的穩定和可靠性，在長(cháng)型的巷道中將由數個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )所覆蓋，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )覆蓋一定的范圍(具體覆蓋的范圍由現場(chǎng)狀況決定，約每300m為一個(gè)ZigBee子網(wǎng))。各個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )之間可由兩種方法進(jìn)行區分:網(wǎng)絡(luò )ID和頻段(Channel)。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖3所示。網(wǎng)絡(luò )分為井上和井下兩個(gè)部分，井上部分是煤礦井下救援系統及其相關(guān)設備和網(wǎng)絡(luò )，井下部分是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )及其相關(guān)設備和網(wǎng)絡(luò )。

　　3.4井下人員定位

　　井下人員定位的過(guò)程如下:井下人員佩帶系統的ZigBee定位模塊，此模塊定時(shí)發(fā)出存在信息，由分布于巷道中的路由節點(diǎn)接收，并根據信號強度判斷其位置。井下人員的位置相關(guān)信息井路由節點(diǎn)或若干路由節點(diǎn)跳傳)傳至接入節點(diǎn)，再由接入節點(diǎn)傳入以太網(wǎng)，即通過(guò)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò )傳輸到煤礦井下救援系統，從而達到實(shí)時(shí)判知人員位置的目的。

　　井下人員定位系統組成示意圖如圖4所示。其中的主要組成部件為:

　　    ①定位節點(diǎn):定時(shí)發(fā)出存在信息，用于攜帶它的工作人員的定位。

　　    ②路由節點(diǎn):接收定位節點(diǎn)發(fā)出的信息，并將此信息路由(跳傳)至接入節點(diǎn)。

　　    ③接入節點(diǎn):接受來(lái)自路由節點(diǎn)數據，并將其通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò )發(fā)送至監察系統。接入節點(diǎn)是一個(gè)ZigBee組織者，他通過(guò)一個(gè)以太網(wǎng)關(guān)與以太網(wǎng)相連。網(wǎng)關(guān)與ZigBee接入節點(diǎn)通過(guò)RS232串口進(jìn)行通訊連接。

　　下面對圖4中定位節點(diǎn)D1,D2和D3的路由路徑分別加以說(shuō)明，D、L、J分別表示定位節點(diǎn)、路由節點(diǎn)和接入節點(diǎn)。

　　從圖4中可以看出D1同時(shí)處于L2和L3檢測范圍之內，但是由于D1被障礙物阻擋不能與L3通訊，而只能與L2通訊，因此其路由路徑為:

　　    D1→ L2→ Ll →Jl→以太網(wǎng)

　　    D3同時(shí)處于L3和L4檢測范圍之內，但是由于D3被障礙物阻擋不能與L3通訊，而只能與L4通訊，因此其路由路徑為:

　　    D3→ L4→L5→ J2→以太網(wǎng)

　　    D2同時(shí)處于L3和L4檢測范圍之內，并且D2沒(méi)有被任何障礙物阻擋，因此能與L3和L4同時(shí)通訊，路由路徑為:

　　    D2→L4→L5→J2→以太網(wǎng)

　　    D2→L3→L2→Ll→Jl→以太網(wǎng)

　　系統工作時(shí)，需要將定位節點(diǎn)附著(zhù)在井下人員身上，將其位置信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )和以太網(wǎng)絡(luò )送入煤礦井下救援系統，最后借助GIS技術(shù)將人員的位置信息在電子地圖上實(shí)時(shí)的標出。在定位過(guò)程中，需要實(shí)現以下兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù):

　　(1) ZigBee節點(diǎn)的標識:每個(gè)ZigBee節點(diǎn)都有64位的 
永久地址，作為其唯一性標識?？梢詫⑦@個(gè)地址映射為對應用層有意義的名字，從而可對每個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行身份辯認。

　　(2)定位判定:移動(dòng)中的定位節點(diǎn)可由一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )進(jìn)入另一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，由接收到定位節點(diǎn)信號的路由節點(diǎn)決定其位置。位置判斷的依據為兩個(gè)無(wú)線(xiàn)信號參數:LQI (Link Quality Indicator)和SSI (Signal Strength Indicator)，這兩個(gè)值由路由節點(diǎn)在接收到定位節點(diǎn)的信號后得出。位置判斷的精度取決于路由節點(diǎn)分布的密度，需要根據現場(chǎng)實(shí)際情況方可決定。

　　4結束語(yǔ)

　　本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的井下人員無(wú)線(xiàn)定位系統的開(kāi)發(fā)和使用，該技術(shù)能夠大大提高煤礦井下救援系統在救援過(guò)程中的積極作用，能為事故救援提供高可信的、重要的數據資料，減少事故發(fā)生的可能性，降低人員的傷亡。木系統目前已經(jīng)在黑龍江省雙鴨山礦業(yè)集團得到成功應用和推廣，并取得良好的社會(huì )和經(jīng)濟效益。

　　然而，目前定位系統中定位節點(diǎn)只能起到地理定位作用，如果將瓦斯傳感器、環(huán)境監測傳感器等多種傳感器和定位節點(diǎn)結合，將井下生產(chǎn)作業(yè)區的溫濕度、氧含量、有毒有害氣體含量、粉塵含量等多種環(huán)境參數通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送到煤礦井下救援系統，實(shí)現實(shí)時(shí)監測，這對煤炭行業(yè)與其相關(guān)行業(yè)的平穩健康發(fā)展無(wú)疑有重要的意義。重視歷史數據的收集與積累，對煤炭行業(yè)職業(yè)病典型的塵肺病)的有效防治提供支持，上述內容將在以后的工作中作進(jìn)一步的研究。

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