ZigBee技術在煤礦井下救援係統中的應用

摘 要 在煤礦井下發生安全02manbetx.com 後，及時準確地獲知井下作業人員的位置信息是至關重要的。提出了將無線傳感器網絡中的ZigBee技術應用於煤礦井下救援係統中，組成無線傳感器網絡，構建井下人員無線定位係統的設計方案。目前，井下人員定位係統已經處於調試和試運行階段，運行效果良好。
關鍵詞 G1S無線傳感器網絡 救援係統 ZigBee人員定位係統

1引言
近年來，隨著對煤炭需求的高速增長，煤炭工業也得到很大發展，但是煤礦重大、特大02manbetx.com 時有發生，仍未實現對災害02manbetx.com 的有效控製。02manbetx.com 發生後，準確判定井下生產作業人員的受困位置、遇險人員撤退路線、井下的環境監測情況以及及時準確地製定救援方案，這對事故的救援是十分重要的，也是十分緊迫的任務。煤礦井下救援係統及其分係統一基於ZigBee技術的井下人員無線定位係統，就是在此背景下進行研究與開發的。
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，還有的抗幹擾能力相對較差等一些不足，在很大程度上阻礙了在礦業行業推廣應用。木文提出了一個基於ZigBee技術的煤礦井下無線網絡通信係統成功解決上述問題。

2煤礦井下救援係統的功能與關鍵技術
統計03manbetx 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係統側重於瓦斯事故的救援管理，本係統的主要功能有:煤礦井下瓦斯實時監測數據采集、傳輸和處理;對出現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人員等多種屬性數據信息實時顯示在電子地圖以及有關消息的網上發布等。煤礦井下救援係統的建設有利於安全監察部門和行業管理部門及政府其它部門、中介機構、輿論媒體協同工作，有利於實時的發現重大事故隱患、動態排查隱患，跟蹤安全整改，將隱患處理於事故發生之前，從而最大限度地避免事故的發生，形成預警體係。
2.1 GIS
地理信息係統（Geographic Information Systans GIS)，是信息係統的一種，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，地理信息係統是對地理空間數據進行處理加工提取有用的地理空間信息乃至知識的係統。總起來說地理信息係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、03manbetx 、建立03manbetx 模型。本文所采用的GIS技術，將地球表層空間數據延伸到地球表層以下，用於井下巷道圖、設備分布圖，瓦斯傳感器分布圖、瓦斯監測數據、人員動態信息等空間數據和屬性數據的管理。
2.2無線傳感器網絡
無線傳感器網絡是基於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，融合了傳統傳感與監測技術的下一代網絡（NGN）。
無線傳感器網絡與傳統的無線網絡（如W LAN和蜂窩移動電話網絡)有著不同的設計目標，後者在高度移動的環境中通過優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，除了少數節點需要移動以外，大部分節點都是靜正的。其中的設備體積小、能耗低，並通過無線網絡傳播信息，因此對比傳統的傳感器而言，具有無可比擬的優勢。由這些微小的智能傳感設備所組成的網絡，不但能取代傳統的傳感設備，還能完成許多傳統控製，監視設備所做不到的任務。從國外已成熟的應用來看，在環境、軍事、水利電力、醫療、樓宇監測、交通和製造以及礦業井下作業等許多領域裏，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撇日圖1所示。該無線傳感器網絡由眾多網絡節點組成，節點之間采用無線通信。節點包括普通節點、Sink節點、網關節點。普通節點和Sink節點完成數據采集和多跳中繼傳輸，網關節點完成無線和有線信號轉換，實現以太網接入。節點以自組織形式構成網絡，通過多跳中繼方式將監測數據傳到sink節點，最終借助長距離或臨時建立的鏈路將整個區域內的數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，主要用於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於2002年聯合推出的低成木、低功耗、短距離傳輸的無線連接技術。UWB即超寬帶技術又被稱為脈衝無線發射技術，是指占用帶寬大於中心頻率的1/4或帶寬大於15G無線發射方案，作為商用的無線通信技術。
低功耗、低成木的就是ZigBee技術的優勢，而這些恰好適用於煤礦井下巷道多曲折、多風門等結構特點，電源供電限製嚴格、煤炭行業資金短缺等特點。盡管它有著較低數據傳輸率，但是這一傳輸速度仍能夠滿足井下人員定位係統的需求。
2.4 ZigBee
Z igBee是一種采用成熟無線通訊技術的全球統一標準的開放的無線傳感器網絡。它以IEEE 802.15.4協議為基礎，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，由於采用較低的數據傳輸率，較低的工作頻段和容量更小的Stack並且將設備的ZigBee模塊在未使用的情況下進入休眠狀態從整體上降低其功耗。 ZigBee體係結構中物理層、介質訪問層和數據鏈路層基於IEEE802.15.4無線個人局域網(WPAN)標準協議; ZigBee在IEEE802.15.4標準基礎之上建立網絡層和應用支持層，包括巨大數量節點的處理最大節點數可以達到65 000[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。

3基於ZigBee技術的井下人員定位
結合煤礦井下生產作業的特殊性和要求，采用基於Z igBee的無線傳感器網絡技術實現巷道內人員定位。通過基於ZigBee的無線自組網絡將人員位置參數實時地傳輸到煤礦井下救援係統，能夠進行實時監測，並在危險情況下及時報警並及時通知井下作業人員;事故發生後，可以輔助快速製定救援方案，減少人員的傷亡。
3.1硬件環境
實現基於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，並且采用雙顯示器和雙硬盤，CPU主頻不低於26GH z內存不小於512M，硬盤不小於120G，顯示器不低於19英寸，圖形顯示卡顯存不低於256M並且支持雙屏幕顯示以及CD-RW或磁帶機，也可以采用專業圖形工作站(要求雙顯示器和雙硬盤)。飛思卡爾公司的24GHz MC13192射頻收發器，數據調製解調器。
3.2軟件環境
定位係統在Microsoft Windows 2000 Server操作係統環境下開發，采用的開發工具是VB. net選用MapX5.0和Map info Professional7.5完成係統的G1S部分的開發，後台數據庫使用Oracle數據庫係統。飛思卡爾公司的MC 13192+GT60開發套件工具。
33數據通訊網絡的組成
定位係統中的網絡主要由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網絡進行數據的采集和傳輸，後端由Ethernet構成主要的數據傳輸骨幹通道。
由於井下巷道內對有線的電力供應有嚴格限製，Z igBee器件由電池供電，一節電池至少能夠使用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，應當由專門製定的政策(Policy)來控製和監管，以保證整個係統的正常運行。
為保證ZigBee網絡的穩定和可靠性，在長型的巷道中將由數個ZigBee網絡所覆蓋，每個ZigBee網絡覆蓋一定的範圍(具體覆蓋的範圍由現場狀況決定，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係統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:井下人員佩帶係統的ZigBee定位模塊，此模塊定時發出存在信息，由分布於巷道中的路由節點接收，並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點或若幹路由節點跳傳)傳至接入節點，再由接入節點傳入以太網，即通過基於ZigBee技術的無線自組網絡傳輸到煤礦井下救援係統，從而達到實時判知人員位置的目的。
井下人員定位係統組成示意圖如圖4所示。其中的主要組成部件為:

①定位節點:定時發出存在信息，用於攜帶它的工作人員的定位。
②路由節點:接收定位節點發出的信息，並將此信息路由(跳傳)至接入節點。
③接入節點:接受來自路由節點數據，並將其通過以太網絡發送至監察係統。接入節點是一個ZigBee組織者，他通過一個以太網關與以太網相連。網關與ZigBee接入節點通過RS232串口進行通訊連接。
定位節點D1, D2和D3的路由路徑分別加以說明，D、L、J分別表示定位節點、路由節點和接入節點。
D1同時處於L2和L3檢測範圍之內，但是由於D1被障礙物阻擋不能與L3通訊，而隻能與L2通訊，因此其路由路徑為:
D1→ L2→ Ll →Jl→以太網
D3同時處於L3和L4檢測範圍之內，但是由於D3被障礙物阻擋不能與L3通訊，而隻能與L4通訊，因此其路由路徑為:
D3→ L4→L5→ J2→以太網
D2同時處於L3和L4檢測範圍之內，並且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
係統工作時，需要將定位節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係統，最後借助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，需要實現以下兩個關鍵技術:
(1) ZigBee節點的標識:每個ZigBee節點都有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，從而可對每個節點進行身份辯認。
(2)定位判定:移動中的定位節點可由一個ZigBee網絡進入另一個ZigBee網絡中，由接收到定位節點信號的路由節點決定其位置。位置判斷的依據為兩個無線信號參數:LQI (Link Quality Indicator)和SSI (Signal Strength Indicator)，這兩個值由路由節點在接收到定位節點的信號後得出。位置判斷的精度取決於路由節點分布的密度，需要根據現場實際情況方可決定。

4結束語
木文提出了一種基於ZigBee技術的井下人員無線定位係統的開發和使用，該技術能夠大大提高煤礦井下救援係統在救援過程中的積極作用，能為事故救援提供高可信的、重要的數據資料，減少事故發生的可能性，降低人員的傷亡。木係統目前已經在黑龍江省雙鴨山礦業集團得到成功應用和推廣，並取得良好的社會和經濟效益。
然而，目前定位係統中定位節點隻能起到地理定位作用，如果將瓦斯傳感器、環境監測傳感器等多種傳感器和定位節點結合，將井下生產作業區的溫濕度、氧含量、有毒有害氣體含量、粉塵含量等多種環境參數通過無線網絡傳送到煤礦井下救援係統，實現實時監測，這對煤炭行業與其相關行業的平穩健康發展無疑有重要的意義。重視曆史數據的收集與積累，對煤炭行業職業病典型的塵肺病)的有效防治提供支持，上述內容將在以後的工作中作進一步的研究