ZigBee技術(shù)在煤礦井下救援系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、 專業(yè)技術(shù)文件 / Technical documentation 編號(hào)： ZigBee技術(shù)在煤礦井下救援系統(tǒng)中的應(yīng)用Through the process agreement to achieve a unified action policy for different people, so as to coordinate action, reduce blindness, and make the work orderly.編制：_日期：_ZigBee技術(shù)在煤礦井下救援系統(tǒng)中的應(yīng)用溫馨提示：該文件為本公司員工進(jìn)行生產(chǎn)和各項(xiàng)管理工作共同的技術(shù)依據(jù)，通過(guò)對(duì)具體的工作環(huán)節(jié)進(jìn)行規(guī)范、約束，以確

2、保生產(chǎn)、管理活動(dòng)的正常、有序、優(yōu)質(zhì)進(jìn)行。本文檔可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改和使用。 摘 要 在煤礦井下發(fā)生安全事故后, 及時(shí)準(zhǔn)確地獲知井下作業(yè)人員的位置信息是至關(guān)重要的。提出了將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下救援系統(tǒng)中, 組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò), 構(gòu)建井下人員無(wú)線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。目前, 井下人員定位系統(tǒng)已經(jīng)處于調(diào)試和試運(yùn)行階段, 運(yùn)行效果良好。 關(guān)鍵詞 G1S無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 救援系統(tǒng) ZigBee人員定位系統(tǒng) 1引言 近年來(lái), 隨著對(duì)煤炭需求的高速增長(zhǎng), 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

3、的受困位置、遇險(xiǎn)人員撤退路線、井下的環(huán)境監(jiān)測(cè)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(wú)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(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)成功解決上述問(wèn)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(guó)煤

4、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(cè)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。 2.1 GIS 地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systan

5、s 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(guó)。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?lái)說(shuō)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(cè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于4G第四代無(wú)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

6、傳統(tǒng)傳感與監(jiān)測(cè)技術(shù)的下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無(wú)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(guò)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(wú)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(guò)無(wú)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(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。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(guó)外已成熟的應(yīng)用來(lái)看, 在環(huán)境、軍事、水利電力、醫(yī)療、樓宇監(jiān)測(cè)、交通和制

7、造以及礦業(yè)井下作業(yè)等許多領(lǐng)域里, 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)都有極大的應(yīng)用價(jià)值。 典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)撇日?qǐng)D1所示。該無(wú)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(wú)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(wú)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(guò)多跳中繼方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳到sink節(jié)點(diǎn), 最終借助長(zhǎng)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(wú)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(wú)線連接。Wi-Fi（無(wú)

8、線高保真)是一種無(wú)線通信協(xié)議, 主要目的是提供W LAN接入。ZigBee是由英國(guó)、美國(guó)、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(wú)線連接技術(shù)。UWB即超寬帶技術(shù)又被稱為脈沖無(wú)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(wú)線發(fā)射方案, 作為商用的無(wú)線通信技術(shù)。 低功耗、低成木的就是ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì), 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。 2.4 ZigBee Z igBee是一種采用成熟無(wú)線通訊技

9、術(shù)的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它以IEEE 802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ), 使182 2021.24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(guó)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

10、整體上降低其功耗。 ZigBee體系結(jié)構(gòu)中物理層、介質(zhì)訪問(wèn)層和數(shù)據(jù)鏈路層基于IEEE802.15.4無(wú)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65 0003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(wú)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(guò)基于ZigBee的無(wú)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)

11、測(cè), 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(wú)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

12、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(kù)使用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。飛思卡爾公司的MC 13192+GT60開發(fā)套件工具。 33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(wú)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

13、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(lái)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(zhǎng)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(chǎng)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(wú)線傳感

14、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(guò)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(guò)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)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: 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。 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)。 接入節(jié)點(diǎn):接受

15、來(lái)自路由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù), 并將其通過(guò)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(guò)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(guò)RS232串口進(jìn)行通訊連接。 定位節(jié)點(diǎn)D1, D2和D3的路由路徑分別加以說(shuō)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)。 D1同時(shí)處于L2和L3檢測(cè)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(cè)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 L4L5 J2以太網(wǎng) D2同時(shí)處于L3和

16、L4檢測(cè)范圍之內(nèi), 并且D2沒(méi)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: D2L4L5J2以太網(wǎng) D2L3L2LlJl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(guò)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(guò)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(wú)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(chǎng)實(shí)際情況方可決定。 4結(jié)束語(yǔ) 木文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的井下人員無(wú)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(guò)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。