ZigBee在煤礦井下救援系統(tǒng)中的應用

　　1引言

　　近年來，隨著對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、特大事故時有發(fā)生，仍未實現(xiàn)對災害事故的有效控制。事故發(fā)生后，準確判定井下生產作業(yè)人員的受困位置、遇險人員撤退路線、井下的環(huán)境監(jiān)測情況以及及時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。煤礦井下救援系統(tǒng)及其分系統(tǒng)一基于ZigBee技術的井下人員無線定位系統(tǒng)，就是在此背景下進行研究與開發(fā)的。

　　目前，礦井無線通信技術主要有透地通信技術、中遠距離射頻感應通信技術、漏泄通信技術以及礦井移動通信技術等。上述技術有的成木較高，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。木文提出了一個基于ZigBee技術的煤礦井下無線網絡通信系統(tǒng)成功解決上述問題。

　　2煤礦井下救援系統(tǒng)的功能與關鍵技術

　　統(tǒng)計分析表明，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:煤礦井下瓦斯實時監(jiān)測數(shù)據采集、傳輸和處理;對出現(xiàn)的瓦斯事故進行預警和救援支持;將包括瓦斯傳感器和井下作業(yè)人員等多種屬性數(shù)
據信息實時顯示在電子地圖以及有關消息的網上發(fā)布等。煤礦井下救援系統(tǒng)的建設有利于安全監(jiān)察部門和行業(yè)管理部門及政府其它部門、中介機構、輿論媒體協(xié)同工作，有利于實時的發(fā)現(xiàn)重大事故隱患、動態(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(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)據和信息為特定的運作對象國。換言之，地理信息系統(tǒng)是對地理空間數(shù)據進行處理加工提取有用的地理空間信息乃至知識的系統(tǒng)。總起來說地理信息系統(tǒng)主要包括的功能有，例如，地理空間數(shù)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，將地球表層空間數(shù)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(jiān)測數(shù)據、人員動態(tài)信息等空間數(shù)據和屬性數(shù)據的管理。

　　2.2無線傳感器網絡

　　無線傳感器網絡是基于4G第四代無線通信技術，3A自適應天線陣，及分布式網格計算技術，融合了傳統(tǒng)傳感與監(jiān)測技術的下一代網絡（NGN）。

　　無線傳感器網絡與傳統(tǒng)的無線網絡（如W LAN和蜂窩移動電話網絡)有著不同的設計目標，后者在高度移動的環(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，同時為用戶提供一定的服務質量保證團。在無線傳感器網絡中，除了少數(shù)節(jié)點需要移動以外，大部分節(jié)點都是靜正的。其中的設備體積小、能耗低，并通過無線網絡傳播信息，因此對比傳統(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備所組成的網絡，不但能取代傳統(tǒng)的傳感設備，還能完成許多傳統(tǒng)控制，監(jiān)視設備所做不到的任務。從國外已成熟的應用來看，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)等許多領域里，無線傳感器網絡都有極大的應用價值。

　　典型的無線傳感器網絡如圖1所示。該無線傳感器網絡由眾多網絡節(jié)點組成，節(jié)點之間采用無線通信。節(jié)點包括普通節(jié)點、Sink節(jié)點、網關節(jié)點。普通節(jié)點和 Sink節(jié)點完成數(shù)據采集和多跳中繼傳輸，網關節(jié)點完成無線和有線信號轉換，實現(xiàn)以太網接入。節(jié)點以自組織形式構成網絡，通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據傳到 sink節(jié)點，最終借助長距離或臨時建立的鏈路將整個區(qū)域內的數(shù)據傳送到遠程中心進行集中處理。

　　2.3幾種無線傳輸技術比較

　　藍牙技術是愛立信、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。UWB即超寬帶技術又被稱為脈沖無線發(fā)射技術，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。ZigBee B1ueTeeth UWB, W i－Fi進行性能比較[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技術的優(yōu)勢，而這些恰好適用于煤礦井下巷道多曲折、多風門等結構特點，電源供電限制嚴格、煤炭行業(yè)資金短缺等特點。盡管它有著較低數(shù)據傳輸率，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的全球統(tǒng)一標準的開放的無線傳感器網絡。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行通訊，能夠在三個不同的頻段上通訊。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最顯著的技術特點是它的低功耗和低成木，由于采用較低的數(shù)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、介質訪問層和數(shù)據鏈路層基于IEEE802.15.4無線個人局域網(WPAN)標準協(xié)議; ZigBee在 IEEE802.15.4標準基礎之上建立網絡層和應用支持層，包括巨大數(shù)量節(jié)點的處理最大節(jié)點數(shù)可以達到65000[3]個)、ZigBee設備對象、用戶定義的應用輪廓以及應用支持層等。應用層則由用戶根據需要進行開發(fā)。

　　3基于ZigBee技術的井下人員定位

　　結合煤礦井下生產作業(yè)的特殊性和要求，采用基于Z igBee的無線傳感器網絡技術實現(xiàn)巷道
內人員定位。通過基于ZigBee的無線自組網絡將人員位置參數(shù)實時地傳輸?shù)矫旱V井下救援系統(tǒng)，能夠進行實時監(jiān)測，并在危險情況下及時報警并及時通知井下作業(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

　　實現(xiàn)基于無線定位技術的井下人員定位，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，CPU主頻不低于26GH z內存不小于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，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)據調制解調器。

　　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)，后臺數(shù)據庫使用Oracle數(shù)據庫系統(tǒng)。飛思卡爾公司的MC 13192+GT60開發(fā)套件工具。

　　3.3數(shù)據通訊網絡的組成

　　定位系統(tǒng)中的網絡主要由ZigBee無線自組網絡和以太網Ethernet (IEEE 802.3)有線網絡組成。網絡可以覆蓋整個巷道，前端構建ZigBee網絡進行數(shù)據的采集和傳輸，后端由Ethernet構成主要的數(shù)據傳輸骨干通道。

　　由于井下巷道內對有線的電力供應有嚴格限制，Z igBee器件由電池供電，一節(jié)電池至少能夠使用6個月，符合其低功耗的特點。Ethe rne側絡在巷道內的部分也將由高容量的電池驅動，其中的電池管理和更換，應當由專門制定的政策(Policy)來控制和監(jiān)管，以保證整個系統(tǒng)的正常運行。

　　為保證ZigBee網絡的穩(wěn)定和可靠性，在長型的巷道中將由數(shù)個ZigBee網絡所覆蓋，每個ZigBee網絡覆蓋一定的范圍(具體覆蓋的范圍由現(xiàn)場狀況決定，約每300m為一個ZigBee子網)。各個ZigBee網絡之間可由兩種方法進行區(qū)分:網絡ID和頻段(Channel)。

　　ZigBee網絡拓撲結構如圖3所示。網絡分為井上和井下兩個部分，井上部分是煤礦井下救援系統(tǒng)及其相關設備和網絡，井下部分是無線傳感器網絡及其相關設備和網絡。

　　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，此模塊定時發(fā)出存在信息，由分布于巷道中的路由節(jié)點接收，并根據信號強度判斷其位置。井下人員的位置相關信息井路由節(jié)點或若干路由節(jié)點跳傳)傳至接入節(jié)點，再由接入節(jié)點傳入以太網，即通過基于ZigBee技術的無線自組網絡傳輸?shù)矫旱V井下救援系統(tǒng)，從而達到實時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:

　?、俣ㄎ还?jié)點:定時發(fā)出存在信息，用于攜帶它的工作人員的定位。

　?、诼酚晒?jié)點:接收定位節(jié)點發(fā)出的信息，并將此信息路由(跳傳)至接入節(jié)點。

　　③接入節(jié)點:接受來自路由節(jié)點數(shù)據，并將其通過以太網絡發(fā)送至監(jiān)察系統(tǒng)。接入節(jié)點是一個ZigBee組織者，他通過一個以太網關與以太網相連。網關與ZigBee接入節(jié)點通過RS232串口進行通訊連接。

　　下面對圖4中定位節(jié)點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、路由節(jié)點和接入節(jié)點。

　　從圖4中可以看出D1同時處于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

　　D3同時處于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

　　D2同時處于L3和L4檢測范圍之內，并且D2沒有被任何障礙物阻擋，因此能與L3和L4同時通訊，路由路徑為:

　　D2→L4→L5→J2→以太網

　　D2→L3→L2→Ll→Jl→以太網

　　系統(tǒng)工作時，需要將定位節(jié)點附著在井下人員身上，將其位置信息通過ZigBee網絡和以太網絡送入煤礦井下救援系統(tǒng)，最后借助GIS技術將人員的位置信息在電子地圖上實時的標出。在定位過程中，需要實現(xiàn)以下兩個關鍵技術:

　　(1) ZigBee節(jié)點的標識:每個ZigBee節(jié)點都有64位的
永久地址，作為其唯一性標識。可以將這個地址映射為對應用層有意義的名字，從而可對每個節(jié)點進行身份辯認。

　　(2)定位判定:移動中的定位節(jié)點可由一個ZigBee網絡進入另一個ZigBee網絡中，由接收到定位節(jié)點信號的路由節(jié)點決定其位置。位置判斷的依據為兩個無線信號參數(shù):LQI (Link Quality Indicator)和SSI (Signal Strength Indicator)，這兩個值由路由節(jié)點在接收到定位節(jié)點的信號后得出。位置判斷的精度取決于路由節(jié)點分布的密度，需要根據現(xiàn)場實際情況方可決定。

　　4結束語

　　本文提出了一種基于ZigBee技術的井下人員無線定位系統(tǒng)的開發(fā)和使用，該技術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，并取得良好的社會和經濟效益。

　　然而，目前定位系統(tǒng)中定位節(jié)點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)點結合，將井下生產作業(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)通過無線網絡傳送到煤礦井下救援系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測，這對煤炭行業(yè)與其相關行業(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一步的研究。

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