Zigbee在礦井安全領域的應用
金 純1,2,齊岩鬆1,羅祖秋3,陳前斌1
(1.重慶郵電學院,重慶400000;2.重慶金甌科技有限公司,重慶400039;3.交通學院,重慶400000)
摘 要:傳統的礦井安全管理方式以人為主要因素,缺乏定量指標,準確性差,越來越不適應現代化生產的需要。將短距離通信新秀Zigbee應用於礦井安全領域,提出一種定性定量的評估方式:采用Zigbee將終端傳感器收集的各種參數傳至坑道上的網關,再采用有線方式將網關數據傳輸至地麵上的中央控製計算機,由計算機對數據進行03manbetx
比較,對礦井安全狀況做出評估。
關鍵詞:礦井安全;Zigbee;生命保障
中圖分類號:TD76 文獻標識碼:B 文章編號:1003-496X(2006)02-0039-03基金項目:重慶市科委自然科學基金(CSTC,2005BB2220)
礦山安全管理是一項複雜的係統工程,它是以環境、機械設備、產品、原材料以及相關的人和環境等綜合係統為管理對象,最終的目的是保護人和生產資料的安全。礦山的生產是針對位於地下的三維空間中的礦體,礦體周圍又有複雜的地質斷層,礦山生產的采煤、掘進、通防、機電、運輸5個大係統就分布在地下空間中,整個生產過程受瓦斯、一氧化碳、煤塵、湧水、機電、頂板、通風等因素的威脅,複雜的環境條件要求我們隨時要注意安全,出現異常能快速準確地定位02manbetx.com
及準確的采取措施。目前我們傳統的安全管理方式是以人為主要因素,沒有定位、定量,準確性差,越來越不適應於生產的發展,必須采用先進的方法和手段才能更好地解決生命安全保障問題。我們所希望的未來礦山安全係統是能夠事先預測02manbetx.com
的發生,掌握02manbetx.com
的規律,做出定性和定量的評價,向有關人員預先警告02manbetx.com
的危險性,將事故的損失降到最低。本文所闡述的應用設想就是對未來礦山安全係統的一種探索〔1-2〕。
1 Zigbee相關技術介紹ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低功耗、低成本無線網絡技術,它是一種介於無線標記技術和藍牙之間的技術提案。它此前被稱作“Home RFLite”或“Fire Fly”無線技術,主要用於近距離無線連接。ZigBee的網絡標準由IEEE 802.15工作組負責製訂,Zigbee是IEEE 802.15.4標準在商業推廣上的名稱。802.15.4標準的適用範圍非常貼近生產和生活,對數據速率和Qos的要求不高,目標市場是工業、家庭以及醫療等需要低功耗低成本以及大麵積使用無線監控設備的領域。其基本技術參數如表1所示。
表1 Zigbee基本技術參數
2 Zigbee在礦工生命保障上的應用Zigbee係統結構如圖1所示;信號流程如圖2所示。
3 係統設計的基本思想是用傳感器和Zigbee模塊構成簡單的穿戴式網絡。礦工身上佩帶的終端設備主要由各種傳感器、報警器以及Zigbee發射接收模塊組成。傳感器主要由兩部分組成,一部分用於環境監測:包括瓦斯濃度探測、一氧化碳濃度探測、空氣濕度探測等功能;另一部分用於礦工生命體征的采集:諸如脈搏、血壓、呼吸、體溫等,包括脈搏傳感器、溫度傳感器、狀態傳感器等。上述各種傳感器對各種原始信號進行采集後,需要進行模擬信號到數字信號的轉換,這一過程要經過模擬信號放大器,A/D轉換器,電平比較器,信號處理器等設備,轉換後得到的數字信號經過Zigbee發射模塊無線傳輸至礦井坑道壁上的網關設備。
坑道中每隔幾十米架設固定的網關設備,並用線纜相聯,用於收集Zigbee無線信號,並將收集到的數據通過有線方式傳輸到地麵上的中央控製計算機。由於礦井采掘麵不斷延伸,有線設備的架設不便及時跟進,所以在采掘麵附近采用Zigbee無線中繼設備將信號傳輸至相鄰網關。無線網關還需要根據中央控製機計算的指令為建立和啟動網絡這一過程設置參數,其中包括選擇一個射頻信道、唯一的網絡標識符以及一係列操作參數,以及完成由Zigbee無線數據到有線傳輸數據格式的轉換。
礦工佩帶的終端設備都擁有一個64位的IEEE地址,也可以使用16位短地址來減少數據包大小,這樣隻要記錄下終端地址就可以很容易確定礦工身份。在發生礦難時也很容易根據網關最後記錄找到具體礦工的位置,便於營救。在無線傳輸時的路由選擇在默認時使用樹形路由選擇,即在做路由選擇策略時利用樹形結構選址。有了樹形路由選擇,設備不必保存占用龐大內存的路由表或進行任何額外的空中下載技術操作來發現路徑,因此最小化了網絡流量,同時簡化了設備結構,降低了成本和設備功耗,一般Zigbee設備的耗電量極低,發射功率可以控製在1 mW以內,2節普通的五號電池可以支持係統終端工作3個月到1年的時間,非常適合在工礦企業大麵積裝備。如果采用礦工自身攜帶的照明係統蓄電池供電,終端的續航能力將大大提高。
網關收集到的信號通過有線方式傳輸到地麵上,有線互聯采用的具體介質以及其中的數據傳輸方式的選擇要根據具體情況綜合成本等多方麵因素具體考慮,有線數據通過接口模塊的格式轉換將之變成計算機能識別處理的數據。
中央控製計算機內部軟件要完成的任務主要有:整個係統的控製,數據處理比較以及決定是否發出報警,礦難發生時記錄終端位置以便營救,對整個係統的數據進行自動備份,且自動上傳至政府安全生產監督管理局監管係統主機。對係統的控製包括控製Zigbee網絡開啟關閉設置參數。數據處理主要是對收集的各種參數與預先內置在係統中正常值進行比較,比如對瓦斯濃度進行對比以決定是否要切斷電源;對一氧化碳濃度進行對比以決定是否要人員撤離;對空氣濕度進行對比以判斷是否有發生透水事故的可能等。軟件係統中查詢曆史數據的功能是必不可少的,因為通過查詢就可以得知在發生意外時,各個終端的具體位置,以及終端佩帶者當時的身體狀況,從而為詳細製定營救方案提供依據。對於所有礦井安全管理的數據都要自動上傳到當地國家安全生產監督管理局的監控主機,便於政府對礦業安全的監管。中央控製計算機內部軟件設計具體流程如圖3所示。
圖3 軟件設計流程
3 結 論
Zigbee技術的引入使我們可以定量定性的對礦井的安全狀況做出評估,使減少人為因素在礦業安全管理上造成的漏洞成為可能。後續的技術研發將進一步加強終端的靈敏度探測範圍以及續航能力,進一步加強無線傳輸的可靠性準確性,進一步擴充網關和中央控製計算機的功能,以及加強係統遠程控製能力,使各地國家安全生產監督管理局能直接控製礦井安全管理,減少私人礦井所有者玩忽職守的可能,以達到進一步提高現有礦井安全管理水平的目的。
參考文獻:
〔1〕 王成鋼,豐申紅,周盛世.地理信息係統在礦山安全監測及管理中的應用〔J〕.煤礦安全,2000(4):19-22.〔2〕 胡 .Kjl3礦井監控係統軟件的設計與實現〔J〕.電腦開發與應用,14(5):7-9.
作者簡介:金 純,男,留美博士,歸國創辦重慶金甌科技,主要從事短距離通信技術研發,擔任重慶郵電學院研究生導師。
(收稿日期:
·國外煤礦安全信息·
在露天礦提高生態安全的大爆破計算和實施采礦業的發展造成工業區生態變壞的不良趨勢。在現代條件下,這種情況是不能允許的。要求采取措施以降低對周圍環境的不良影響。在現代露天礦,大爆破向大氣棄放出粉塵和有毒氣體。在進行大爆破時,根據透平爆破工藝獲得解決向大氣垂直噴出塵氣問題的新方法。這種新方法能極大地改善露天礦周圍的生態狀況和采礦作業的安全性。
摘自 《ФГПРПИ》 2004 No.6
