ZigBee在煤矿井下救援系统中的应用

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1引言<p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 近年来，随着对煤炭需求的高速增长，煤炭工业也得到很大发展，但是煤矿重大、特大事故时有发生，仍未实现对灾害事故的有效控制。事故发生后，准确判定井下生产作业人员的受困位置、遇险人员撤退路线、井下的环境监测情况以及及时准确地制定救援方案，这对事故的救援是十分重要的，也是十分紧迫的任务。煤矿井下救援系统及其分系统一基于ZigBee技术的井下人员无线定位系统，就是在此背景下进行研究与开发的。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 目前，矿井无线通信技术主要有透地通信技术、中远距离射频感应通信技术、漏泄通信技术以及矿井移动通信技术等。上述技术有的成木较高，有的功耗相对较大，还有的抗干扰能力相对较差等一些不足，在很大程度上阻碍了在矿业行业推广应用。木文提出了一个基于ZigBee技术的煤矿井下无线网络通信系统成功解决上述问题。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 2煤矿井下救援系统的功能与关键技术</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 统计分析表明，全国煤矿瓦斯事故数占事故总数大约70%。因此木煤矿井下救援系统侧重于瓦斯事故的救援管理，本系统的主要功能有:煤矿井下瓦斯实时监测数据采集、传输和处理;对出现的瓦斯事故进行预警和救援支撑;将包括瓦斯传感器和井下作业人员等多种属性数据信息实时显示在电子地图以及有关消息的网上发布等。煤矿井下救援系统的建设有利于安全监察部门和行业管理部门及政府其它部门、中介机构、舆论媒体协同工作，有利于实时的发现重大事故隐患、动态排查隐患，跟踪安全整改，将隐患处理于事故发生之前，从而最大限度地避免事故的发生，形成预警体系。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 2.1GIS</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 地理信息系统（Geographic Information Systans GIS)，是信息系统的一种，它以表征地球表层空间地理现象和事物的地理空间数据和信息为特定的运作对象国。换言之，地理信息系统是对地理空间数据进行处理加工提取有用的地理空间信息乃至常识的系统。总起来说地理信息系统主要包括的功能有，例如，地理空间数据的采集、存储、显示、操作、管理、分析、建立分析模型。本文所采用的GIS技术，将地球表层空间数据延伸到地球表层以下，用于井下巷道图、设备分布图，瓦斯传感器分布图、瓦斯监测数据、人员动态信息等空间数据和属性数据的管理。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 2.2无线传感器网络</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 无线传感器网络是基于4G第四代无线通信技术，3A自适应天线阵，及分布式网格计算技术，融合了传统传感与监测技术的下一代网络（<a href="http://www.cww.net.cn/NGN/" target="_blank">NGN</a>）。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 无线传感器网络与传统的无线网络（如W LAN和蜂窝移动电话网络)有着不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证团。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静正的。其中的设备体积小、能耗低，并通过无线网络传播信息，因此对比传统的传感器而言，具有无可比拟的优势。由这些微小的智能传感设备所组成的网络，不但能取代传统的传感设备，还能完成许多传统控制，监视设备所做不到的任务。从国外已成熟的应用来看，在环境、军事、水利电力、医疗、楼宇监测、交通和制造以及矿业井下作业等许多领域里，无线传感器网络都有极大的应用价值。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 典型的无线传感器网络撇日图1所示。该无线传感器网络由众多网络节点组成，节点之间采用无线通信。节点包括普通节点、Sink节点、网关节点。普通节点和Sink节点完成数据采集和多跳中继传输，网关节点完成无线和有线信号转换，实现以太网接入。节点以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传到sink节点，最终借助长距离或临时建立的链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 2.3几种无线传输技术比较</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; <a href="http://www.cww.net.cn/tech/tech.asp?id=15" target="_blank">蓝牙</a>技术是<a href="http://www.cww.net.cn/qiye/list.asp?id=106" target="_blank">爱立信</a>、<a href="http://www.cww.net.cn/qiye/list.asp?id=135" target="_blank">诺基亚</a>以及<a href="http://www.cww.net.cn/qiye/list.asp?id=120" target="_blank">IBM</a>等企业在1998年率先推出，主要用于通信和信息设备的无线连接。<a href="http://www.cww.net.cn/tech/tech.asp?id=50" target="_blank">Wi-Fi</a>（无线高保真)是一种无线通信协议，主要目的是提供W LAN接入。ZigBee是由英国、美国、荷兰以及日木一些著名的企业于2002年联合推出的低成木、低功耗、短距离传输的无线连接技术。<a href="http://www.cww.net.cn/tech/tech.asp?id=16" target="_blank">UWB</a>即超宽带技术又被称为脉冲无线发射技术，是指占用带宽大于中心频率的1/4或带宽大于15G无线发射方案，作为商用的无线通信技术。ZigBee B1ueTeeth UWB, W i－Fi进行性能比较[4 5 6]如表1所示。</p><p>从表1中可以得出低功耗、低成木的就是ZigBee技术的优势，而这些恰好适用于煤矿井下巷道多曲折、多风门等结构特点，<a href="http://www.cww.net.cn/tech/tech.asp?id=63" target="_blank">电源</a>供电限制严格、煤炭行业资金短缺等特点。尽管它有着较低数据传输率，但是这一传输速度仍能够满足井下人员定位系统的需求。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 2.4ZigBee</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; ZigBee是一种采用成熟无线通讯技术的全球统一标准的开放的无线传感器网络。它以IEEE 802.15.4协议为基础，使182 2006.24计算机工程与应用用全球免费频段进行通讯，能够在三个不同的频段上通讯。全球通用的频段是2.400GHz-2.484GHz,欧洲采用的频段是868.0 MHz -868.6 6MHz美国采用的频段是902MHz -928MHz传输速率分别为250kbps 20kbps和40kbps通讯距离的理论值为10m- 75m。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成木，由于采用较低的数据传输率，较低的工作频段和容量更小的Stack并且将设备的ZigBee模块在未使用的情况下进入休眠状态从整体上降低其功耗。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; ZigBee体系结构如图2所示。其中物理层、介质访问层和数据链路层基于IEEE802.15.4无线个人局域网(WPAN)标准协议;ZigBee在IEEE802.15.4标准基础之上建立网络层和应用支撑层，包括巨大数量节点的处理最大节点数可以达到65000[3]个)、ZigBee设备对象、用户定义的应用轮廓以及应用支撑层等。应用层则由用户根据需要进行开发。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 3基于ZigBee技术的井下人员定位</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 结合煤矿井下生产作业的特殊性和要求，采用基于Z igBee的无线传感器网络技术实现巷道内人员定位。通过基于ZigBee的无线自组网络将人员位置参数实时地传输到煤矿井下救援系统，能够进行实时监测，并在危险情况下及时报警并及时通知井下作业人员;事故发生后，可以辅助快速制定救援方案，减少人员的伤亡。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 3.1硬件环境</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 实现基于无线定位技术的井下人员定位，需要使用高性能的微型计算机，并且采用双显示器和双硬盘，CPU主频不低于26GH z内存不小于512M，硬盘不小于120G，显示器不低于19英寸，图形显示卡显存不低于256M并且支撑双屏幕显示以及CD-RW或磁带机，也可以采用专业图形工作站(要求双显示器和双硬盘)。<a href="http://www.cww.net.cn/qiye/list.asp?id=122" target="_blank">飞思卡尔</a>企业的24GHz MC13192射频收发器，数据调制解调器。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 3.2App环境</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 定位系统在微软 Windows 2000 Server操作系统环境下开发，采用的开发工具是VB. net选用MapX5.0和Map info Professional7.5完成系统的G1S部分的开发，后台数据库使用<a href="http://www.cww.net.cn/qiye/list.asp?id=110" target="_blank">Oracle</a>数据库系统。飞思卡尔企业的MC 13192+GT60开发套件工具。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 3.3数据通讯网络的组成</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 定位系统中的网络主要由ZigBee无线自组网络和以太网Ethernet (IEEE 802.3)有线网络组成。网络可以覆盖整个巷道，前端构建ZigBee网络进行数据的采集和传输，后端由Ethernet构成主要的数据传输骨干通道。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 由于井下巷道内对有线的电力供应有严格限制，Z igBee器件由电池供电，一节电池至少能够使用6个月，符合其低功耗的特点。Ethe rne侧络在巷道内的部分也将由高容量的电池驱动，其中的电池管理和更换，应当由专门制定的政策(Policy)来控制和监管，以保证整个系统的正常运行。</p><p>为保证ZigBee网络的稳定和可靠性，在长型的巷道中将由数个ZigBee网络所覆盖，每个ZigBee网络覆盖一定的范围(具体覆盖的范围由现场状况决定，约每300m为一个ZigBee子网)。各个ZigBee网络之间可由两种方法进行区分:网络ID和频段(Channel)。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; ZigBee网络拓扑结构如图3所示。网络分为井上和井下两个部分，井上部分是煤矿井下救援系统及其相关设备和网络，井下部分是无线传感器网络及其相关设备和网络。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 3.4井下人员定位</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 井下人员定位的过程如下:井下人员佩带系统的ZigBee定位模块，此模块定时发出存在信息，由分布于巷道中的路由节点接收，并根据信号强度判断其位置。井下人员的位置相关信息井路由节点或若干路由节点跳传)传至接入节点，再由接入节点传入以太网，即通过基于ZigBee技术的无线自组网络传输到煤矿井下救援系统，从而达到实时判知人员位置的目的。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 井下人员定位系统组成示意图如图4所示。其中的主要组成部件为:</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; ①定位节点:定时发出存在信息，用于携带它的工作人员的定位。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; ②路由节点:接收定位节点发出的信息，并将此信息路由(跳传)至接入节点。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; ③接入节点:接受来自路由节点数据，并将其通过以太网络发送至监察系统。接入节点是一个ZigBee组织者，他通过一个以太网关与以太网相连。网关与ZigBee接入节点通过RS232串口进行通讯连接。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 下面对图4中定位节点D1,D2和D3的路由路径分别加以说明，D、L、J分别表示定位节点、路由节点和接入节点。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 从图4中可以看出D1同时处于L2和L3检测范围之内，但是由于D1被障碍物阻挡不能与L3通讯，而只能与L2通讯，因此其路由路径为:</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; D1→ L2→ Ll →Jl→以太网</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; D3同时处于L3和L4检测范围之内，但是由于D3被障碍物阻挡不能与L3通讯，而只能与L4通讯，因此其路由路径为:</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; D3→ L4→L5→ J2→以太网</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; D2同时处于L3和L4检测范围之内，并且D2没有被任何障碍物阻挡，因此能与L3和L4同时通讯，路由路径为:</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; D2→L4→L5→J2→以太网</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; D2→L3→L2→Ll→Jl→以太网</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 系统工作时，需要将定位节点附着在井下人员身上，将其位置信息通过ZigBee网络和以太网络送入煤矿井下救援系统，最后借助GIS技术将人员的位置信息在电子地图上实时的标出。在定位过程中，需要实现以下两个关键技术:</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; (1) ZigBee节点的标识:每个ZigBee节点都有64位的永久地址，作为其唯一性标识。可以将这个地址映射为对应用层有意义的名字，从而可对每个节点进行身份辩认。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; (2)定位判定:移动中的定位节点可由一个ZigBee网络进入另一个ZigBee网络中，由接收到定位节点信号的路由节点决定其位置。位置判断的依据为两个无线信号参数QI (Link Quality Indicator)和SSI (Signal Strength Indicator)，这两个值由路由节点在接收到定位节点的信号后得出。位置判断的精度取决于路由节点分布的密度，需要根据现场实际情况方可决定。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 4结束语</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 本文提出了一种基于ZigBee技术的井下人员无线定位系统的开发和使用，该技术能够提高煤矿井下救援系统在救援过程中的积极作用，能为事故救援提供高可信的、重要的数据资料，减少事故发生的可能性，降低人员的伤亡。木系统目前已经在黑龙江省双鸭山矿业集团得到成功应用和推广，并取得良好的社会和经济效益。</p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 然而，目前定位系统中定位节点只能起到地理定位作用，如果将瓦斯传感器、环境监测传感器等多种传感器和定位节点结合，将井下生产作业区的温湿度、氧含量、有毒有害气体含量、粉尘含量等多种环境参数通过无线网络传送到煤矿井下救援系统，实现实时监测，这对煤炭行业与其相关行业的平稳健康发展无疑有重要的意义。重视历史数据的收集与积累，对煤炭行业职业病典型的尘肺病)的有效防治提供支撑，上述内容将在以后的工作中作进一步的研究。</p>