ZigBee在煤礦井下救援系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　1引言

　　近年來，隨著對(duì)煤炭需求的高速增長，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(xiàn)對(duì)災(zāi)害事故的有效控制。事故發(fā)生后，準(zhǔn)確判定井下生產(chǎn)作業(yè)人員的受困位置、遇險(xiǎn)人員撤退路線、井下的環(huán)境監(jiān)測情況以及及時(shí)準(zhǔn)確地制定救援方案，這對(duì)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(tǒng)及其分系統(tǒng)一基于ZigBee技術(shù)的井下人員無線定位系統(tǒng)，就是在此背景下進(jìn)行研究與開發(fā)的。

　　目前，礦井無線通信技術(shù)主要有透地通信技術(shù)、中遠(yuǎn)距離射頻感應(yīng)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(duì)較大，還有的抗干擾能力相對(duì)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(yīng)用。木文提出了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)成功解決上述問題。

　　2煤礦井下救援系統(tǒng)的功能與關(guān)鍵技術(shù)

　　統(tǒng)計(jì)分析表明，全國煤礦瓦斯事故數(shù)占事故總數(shù)大約70%。因此木煤礦井下救援系統(tǒng)側(cè)重于瓦斯事故的救援管理，本系統(tǒng)的主要功能有:煤礦井下瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理;對(duì)出現(xiàn)的瓦斯事故進(jìn)行預(yù)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(shù)據(jù)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(tǒng)的建設(shè)有利于安全監(jiān)察部門和行業(yè)管理部門及政府其它部門、中介機(jī)構(gòu)、輿論媒體協(xié)同工作，有利于實(shí)時(shí)的發(fā)現(xiàn)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(yù)警體系。

　　2.1GIS

　　地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systans GIS)，是信息系統(tǒng)的一種，它以表征地球表層空間地理現(xiàn)象和事物的地理空間數(shù)據(jù)和信息為特定的運(yùn)作對(duì)象國。換言之，地理信息系統(tǒng)是對(duì)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加工提取有用的地理空間信息乃至知識(shí)的系統(tǒng)?？偲饋碚f地理信息系統(tǒng)主要包括的功能有，例如，地理空間數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、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(shù)據(jù)延伸到地球表層以下，用于井下巷道圖、設(shè)備分布圖，瓦斯傳感器分布圖、瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)、人員動(dòng)態(tài)信息等空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的管理。

　　2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于4G第四代無線通信技術(shù)，3A自適應(yīng)天線陣，及分布式網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)，融合了傳統(tǒng)傳感與監(jiān)測技術(shù)的下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)（如W LAN和蜂窩移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò))有著不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，后者在高度移動(dòng)的環(huán)境中通過優(yōu)化路由和資源管理策略最大化帶寬的利用率，同時(shí)為用戶提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證團(tuán)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜正的。其中的設(shè)備體積小、能耗低，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳播信息，因此對(duì)比傳統(tǒng)的傳感器而言，具有無可比擬的優(yōu)勢。由這些微小的智能傳感設(shè)備所組成的網(wǎng)絡(luò)，不但能取代傳統(tǒng)的傳感設(shè)備，還能完成許多傳統(tǒng)控制，監(jiān)視設(shè)備所做不到的任務(wù)。從國外已成熟的應(yīng)用來看，在環(huán)境、軍事、水利電力、醫(yī)療、樓宇監(jiān)測、交通和制造以及礦業(yè)井下作業(yè)等許多領(lǐng)域里，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都有極大的應(yīng)用價(jià)值。

　　典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由眾多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)之間采用無線通信。節(jié)點(diǎn)包括普通節(jié)點(diǎn)、Sink節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。普通節(jié)點(diǎn)和 Sink節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集和多跳中繼傳輸，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成無線和有線信號(hào)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接入。節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到 sink節(jié)點(diǎn)，最終借助長距離或臨時(shí)建立的鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程中心進(jìn)行集中處理。

　　2.3幾種無線傳輸技術(shù)比較

　　藍(lán)牙技術(shù)是愛立信、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(shè)備的無線連接。Wi-Fi（無線高保真)是一種無線通信協(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名的公司于2002年聯(lián)合推出的低成木、低功耗、短距離傳輸?shù)臒o線連接技術(shù)。UWB即超寬帶技術(shù)又被稱為脈沖無線發(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無線發(fā)射方案，作為商用的無線通信技術(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)門等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電源供電限制嚴(yán)格、煤炭行業(yè)資金短缺等特點(diǎn)。盡管它有著較低數(shù)據(jù)傳輸率，但是這一傳輸速度仍能夠滿足井下人員定位系統(tǒng)的需求。

　　2.4ZigBee

　　ZigBee是一種采用成熟無線通訊技術(shù)的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它以IEEE 802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)，使182 2006.24計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用用全球免費(fèi)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(shù)據(jù)傳輸率，較低的工作頻段和容量更小的Stack并且將設(shè)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(jié)構(gòu)如圖2所示。其中物理層、介質(zhì)訪問層和數(shù)據(jù)鏈路層基于IEEE802.15.4無線個(gè)人局域網(wǎng)(WPAN)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議;ZigBee在 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上建立網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持層，包括巨大數(shù)量節(jié)點(diǎn)的處理最大節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到65000[3]個(gè))、ZigBee設(shè)備對(duì)象、用戶定義的應(yīng)用輪廓以及應(yīng)用支持層等。應(yīng)用層則由用戶根據(jù)需要進(jìn)行開發(fā)。

　　3基于ZigBee技術(shù)的井下人員定位

　　結(jié)合煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)的特殊性和要求，采用基于Z igBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)人員定位。通過基于ZigBee的無線自組網(wǎng)絡(luò)將人員位置參數(shù)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)矫旱V井下救援系統(tǒng)，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并在危險(xiǎn)情況下及時(shí)報(bào)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(xiàn)基于無線定位技術(shù)的井下人員定位，需要使用高性能的微型計(jì)算機(jī)，并且采用雙顯示器和雙硬盤，CPU主頻不低于26GH z內(nèi)存不小于512M，硬盤不小于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(jī)，也可以采用專業(yè)圖形工作站(要求雙顯示器和雙硬盤)。飛思卡爾公司的24GHz MC13192射頻收發(fā)器，數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器。

　　3.2軟件環(huán)境

　　定位系統(tǒng)在Microsoft Windows 2000 Server操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)，采用的開發(fā)工具是VB. net選用MapX5.0和Map info Professional7.5完成系統(tǒng)的G1S部分的開發(fā)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫使用Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。飛思卡爾公司的MC 13192+GT60開發(fā)套件工具。

　　3.3數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)的組成

　　定位系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee無線自組網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)Ethernet (IEEE 802.3)有線網(wǎng)絡(luò)組成。網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋整個(gè)巷道，前端構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，后端由Ethernet構(gòu)成主要的數(shù)據(jù)傳輸骨干通道。

　　由于井下巷道內(nèi)對(duì)有線的電力供應(yīng)有嚴(yán)格限制，Z igBee器件由電池供電，一節(jié)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(cè)絡(luò)在巷道內(nèi)的部分也將由高容量的電池驅(qū)動(dòng)，其中的電池管理和更換，應(yīng)當(dāng)由專門制定的政策(Policy)來控制和監(jiān)管，以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　為保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和可靠性，在長型的巷道中將由數(shù)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(xiàn)場狀況決定，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(qū)分:網(wǎng)絡(luò)ID和頻段(Channel)。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，井下部分是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)。

　　3.4井下人員定位

　　井下人員定位的過程如下:井下人員佩帶系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)接收，并根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度判斷其位置。井下人員的位置相關(guān)信息井路由節(jié)點(diǎn)或若干路由節(jié)點(diǎn)跳傳)傳至接入節(jié)點(diǎn)，再由接入節(jié)點(diǎn)傳入以太網(wǎng)，即通過基于ZigBee技術(shù)的無線自組網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)矫旱V井下救援系統(tǒng)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)判知人員位置的目的。

　　井下人員定位系統(tǒng)組成示意圖如圖4所示。其中的主要組成部件為:

　　    ①定位節(jié)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(jié)點(diǎn):接收定位節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息，并將此信息路由(跳傳)至接入節(jié)點(diǎn)。

　　    ③接入節(jié)點(diǎn):接受來自路由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將其通過以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)察系統(tǒng)。接入節(jié)點(diǎn)是一個(gè)ZigBee組織者，他通過一個(gè)以太網(wǎng)關(guān)與以太網(wǎng)相連。網(wǎng)關(guān)與ZigBee接入節(jié)點(diǎn)通過RS232串口進(jìn)行通訊連接。

　　下面對(duì)圖4中定位節(jié)點(diǎn)D1,D2和D3的路由路徑分別加以說明，D、L、J分別表示定位節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)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(nèi)，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(nèi)，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(nèi)，并且D2沒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(tǒng)工作時(shí)，需要將定位節(jié)點(diǎn)附著在井下人員身上，將其位置信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)絡(luò)送入煤礦井下救援系統(tǒng)，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(biāo)出。在定位過程中，需要實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù):

　　(1) ZigBee節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí):每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都有64位的 
永久地址，作為其唯一性標(biāo)識(shí)?？梢詫⑦@個(gè)地址映射為對(duì)應(yīng)用層有意義的名字，從而可對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行身份辯認(rèn)。

　　(2)定位判定:移動(dòng)中的定位節(jié)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(jié)點(diǎn)信號(hào)的路由節(jié)點(diǎn)決定其位置。位置判斷的依據(jù)為兩個(gè)無線信號(hào)參數(shù):LQI (Link Quality Indicator)和SSI (Signal Strength Indicator)，這兩個(gè)值由路由節(jié)點(diǎn)在接收到定位節(jié)點(diǎn)的信號(hào)后得出。位置判斷的精度取決于路由節(jié)點(diǎn)分布的密度，需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況方可決定。

　　4結(jié)束語

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

　　然而，目前定位系統(tǒng)中定位節(jié)點(diǎn)只能起到地理定位作用，如果將瓦斯傳感器、環(huán)境監(jiān)測傳感器等多種傳感器和定位節(jié)點(diǎn)結(jié)合，將井下生產(chǎn)作業(yè)區(qū)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(shù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到煤礦井下救援系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，這對(duì)煤炭行業(yè)與其相關(guān)行業(yè)的平穩(wěn)健康發(fā)展無疑有重要的意義。重視歷史數(shù)據(jù)的收集與積累，對(duì)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(nèi)容將在以后的工作中作進(jìn)一步的研究。

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