（信号与信息处理专业论文）基于zigbee的矿井人员管理系统设计.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的飞快发展，新的采矿方法和技术不断被采用，采矿业正向智 能化和无人化方向发展。但是一段时间内，传统的采矿方法仍将占主导地位，煤 矿安全问题也将继续困扰煤矿企业。 加强井下作业人员的管理是煤矿企业安全生产的必需。目前我国煤矿企业安 装的矿井人员管理系统多是基于r f i d 技术，采用这种技术的系统具备丰富的考 勤管理功能，但不具备定位功能，只能实现人员的粗定位。而一旦发生矿难，井 下受困人员的具体位置信息对救援工作来说是十分重要的。 本文分析了国内外矿井人员管理系统的研究与发展，论证了z i g b e e 技术用 于矿井通信的可行性，搭建了一个基于z i g b e e 技术的无线传感器网络，并以此 为基础设计了一个新型的矿井人员管理系统基于z i g b e e 的矿井人员管理系 统。该系统利用无线信标实时对随身携带无线定位传感器的矿工进行定位和身份 识别，一方面实现了井下人员的考勤管理，另一方面为查询矿井中的人员分布情 况提供了依据，从而实现了煤矿企业的高效、安全管理。 本文提出了系统的总体设计方案，对影响系统实现的关键问题给出了解决策 略，并且在基于j 2 e e 的b s 架构一l ，完成了地面管理中心的软件设计与实现。 此外，该系统还利用g i s 技术，将人员监测数据与井下空间数据相结合，进行综 合分析与管理，提高了工作效率，具有智能化、集成化的特性，符合煤矿监控系 统的发展趋势。 关键词：z i g b e e ，无线传感器网络，矿井人员管理系统，定位，矿井安全 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a d v a n c e dm i n i n gw a y s a n dt e c h n o l o g i e sh a v eb e e na p p l i e dt ot h ec o a lm i n em o r ea n dm o r e t h em i n i n gi s g o i n gi n t ot h ei n t e l l i g e n ta n da u t o m a t i ce r a b u tt h et r a d i t i o n a lm i n i n gm e t h o d sw i l l s t i l lt a k et h ed o m i n a n tr o l ei nap e r i o do ft i m e a tt h es a m _ et i m e ，t h em i n i n g e n t e r p r i s e sw i l ls t i l lf e e lh a r a s s e db yas e r i e so fs e c u r i t yp r o b l e m s i ti sn e c e s s a r yf o rs a f ep r o d u c t i o no ft h em i n i n ge n t e r p r i s e st os t r e l 】【g t h e nt h e s u p e r v i s i o no f t h em i n i n go p e r a t i o n sp e r s o n n e l a tt h ep r e s e n tt i m e ，m o s to f p e r s o n n e l m a n a g e m e n ts y s t e m si n s t a l l e di nt h em i n ea r eb a s e do nr f i dt e c h n o l o g y t h i sk i n d o f s y s t e mh a sa na b u n d a n to f f u n c t i o n so f c h e c ka r e n d a n c em a n a g e m e n tb u tl a c k st h e l o c a t i o nf u n c t i o n i tg i v e st h el o c a t i o ni n f o r m a t i o no f t h em i n i n go p e r a t i o n sp e r s o n n e l r o u g h l yi n s t e a do fa c c u r a t e l y , w h i c hi sc r u c i a lt ot h er e s c u e ，w h e nas e c u r i t ya c c i d e n t h a p p e n e d t ot h em i n e t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dp r e s e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ep e r s o n n e l l o c a t i o na n dm a n a g e m e n ts y s t e mi nc h i n aa n da b r o a d ；d i s c u s s e dt h ep o s s i b i l i t yo f z i g b e et e c h n o l o g yu s e di nm i n e ；c o n s t r u c t e daw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb yu s i n g z i g b e et e c h n o l o g y t h e n ，an e wk i n do fp e r s o n n e ll o c a t i o na n dm a n a g e m e n ts y s t e m o fc o a lm i n eb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g yi sd e s i g n e d t h es y s t e mc a nm o n i t o rt h e l o c a t i o na n di d e n t i 句t h es t a t u so ft h ep e r s o n n e lw i t ht h ew i r e l e s ss e n s o ri nt h ec o a l m i n e t h es y s t e mc a ng e tp e r s o n n e ls t a t i s t i c si n f o r m a t i o na n di n q u i r et h ep e r s o n n e l d i s t r i b u t e di n f o r m a t i o nr a p i d l yf o rt h es a f e t yo ft h ec o a lm i n e i na d d i t i o n ，t h i ss y s t e m i sa d a p t e dt oc o a lm i n ec h e c ka t t e n d a n c em a n a g e m e n t i nt h i sp a p e r ，t h es y s t e m a t i ce n s e m b l ea r c h i t e c t u r ea n ds t r a t e g yt os o l v ek e y p r o b l e m sa r ep r o v i d e d b a s i n go nj 2 e ep l a t f o r ma n da p p l y i n gb sf r a m e ，d e s i g na n d i m p l e m e n t f f t i o no fs o f t w a r es y s t e ma r ef i n i s h e d b yc o m b i n i n gt h i ss y s t e mw i t h g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，m o n i t o rd a t aa n ds p a t i a ld a t aa r ei n t e g r a t e d ，w h i c h r e p r e s e n t si n t e l l i g e n ta n di n t e g r a t e d k e yw o r d s = z i g b e e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , p e r s o n n e lm a n a g e m e n ts y s t e m ，l o c a t i o n ， m i n i n gs a f e t y i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 韩”1 ) 声、7 年弓月7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 群矿卿 妒7 年_ ；月 第一章引言 1 1 课题背景及意义 第1 章引言 我国是世界第一产煤大国，煤炭产量占世界的3 7 。煤炭是我国的主要能源， 分别占一次能源生产和消费总量的7 6 和6 9 “1 ，在未来相当长的时期内，我国 仍将是以煤为主的能源结构，煤炭的战略地位仍然十分重要。 近年来，随着对煤炭需求量的不断增大，全国各地煤矿事故时有发生。事故 发生后，救援人员首先遇到的困难是一些必需的信息( 比如井下有多少矿工受困， 他们都在什么位置) 无法从现有的安全监测系统获取，从而给救援工作的开展增 加了不必要的难度。 由此，开发新型的矿井人员管理系统，实现对煤矿入井人员的实时跟踪和定 位，消除地面管理人员对井下作业人员的视野盲区，随时清楚掌握每个井下作业 人员的位置及活动轨迹，有着重要的现实意义。 在日常生产中，可以利用系统的考勤管理功能，进行科学管理，提高生产效 率。如果发生事故，可以立即从监控计算机上查询事故现场的人员位置分布情况、 被困人员数量以及具体位置等信息，为救援工作提供科学依据，将人员损失减少 到最小。 具有定位功能的矿井人员管理系统是煤矿企业安全管理向科学化、信息化、 数字化方向发展的需要，每个煤矿都有安装该系统的必要性。系统的成功研制， 必将对煤矿行业的安全生产产生深远的影响。因此，该课题同时具有较大的社会 效益和经济效益。 1 2 国内外研究现状及发展 对于井下定位技术的研究，最早的可以追溯到1 9 9 1 年南非德比尔公司的芬 什矿山使用的地下矿铲运机自动测位系统“1 。该系统在矿山四周的关键位置布置 了一组红外线邻近效应探测器。当车辆通过某探测器下面时，装在车上的红外线 发射器向该探测器发射一个用于识别该机车的数码。这个数码被传到一个控制着 调度过程的中央计算机。红外线探测器之间需要设置识别环路设备，这意味着基 础设施费用提高，并且系统的灵活性较差。 1 9 9 4 年在南非普雷米尔( p r e m i e r ) 金刚石矿安装了一种微波信标系统，它 包括一个车上安装的监测器”。该监测器连续探测设在矿山周围各关键点的微波 第一章引言 信标是否出现，该信标为圆柱形，用电池供电，发射超过3 m 范围的统一调制识 别信号。 1 9 9 5 年澳大利亚芒特艾萨矿业公司开发了一种基于射频识别( r f i d ) 技术 的人员探测系统，用于监测矿工是否进入危险地带”。这个系统使用顶板安装的 天线，用来监控装在每个矿工帽上的小型无源信标，进而可以知道各个天线所覆 盖范围内的人员情况。 目前，随着国家对煤矿安全的日益重视和监管力度的不断加强，我国大中型 煤矿及广大乡镇小煤矿已大量装备了煤矿安全生产监控系统。国内也有很多企业 开始从事井下人员定位与管理系统的研究与开发，如北京凌天世纪自动化有限公 司研制的k j l 5 5 型矿用人员跟踪考勤系统，维深电子研制的井下人员跟踪系统， 以及上海秀派电子科技有限公司研制的k j l 9 井下人员及设备跟踪系统等等。上 述系统基本上都是采取的r f i d 技术，r f i d 技术是从7 0 年代发展起来的，也是 目前研究的一个热点。这类系统通过在矿井进口处以及一些关键通道入口处使用 射频卡读写系统来实现对下井人员的登记记录，从而进行跟踪定位。实际上这只 是实现了人员的粗定位，即只是将人员定位在一定的范围内，而没有把人员定位 在一个具体的位置点上，因此，不能实现实时跟踪和定位。 另外，这类系统还存在以下几个问题： ( 1 ) 射频卡读写系统读写距离非常有限，它只能用于上下矿井人员的考勤 记录； ( 2 ) 射频卡读写系统使用的通信频率较低，抗干扰能力差； ( 3 ) 射频卡读写系统读卡速度十分有限，不能处理多人同时快速通过读写 系统的情况； ( 4 ) 如果使用用于远距离识别的有源r f i d 系统，不仅读写器需要固定位 置安装，对r f i d 卡的方向位置和读写器天线方向的匹配也有一定的要求，因而 系统的灵活性大受限制，而且整个系统( 包括有源卡) 也不再具备成本优势。 近年来，随着传感器、电子、自动控制、计算机、信息传输这些领域新成果、 新技术的不断出现，使用无线智能传感器网络来研制全矿井综合监控系统成为了 该领域的研究热点。 1 3 论文主要内容及组织结构 根据国内外研究现状及国内煤矿行业的具体实情，结合矿井生产作业的特殊 性要求，本文采用z i g b e e 技术设计了一种新型的矿井人员管理系统。整个系统 是由一个全覆盖的井下无线传感器网络和一个地面有线网络共同组成：每个矿工 2 第一章引言 的矿帽内都被植入一个无线定位传感器，同时，井下巷道内布置有若干个无线信 标，无线信标实时搜集无线定位传感器发出的无线信号，从而对矿工进行实时定 位和身份识别，再通过无线传感器网络将数据信息实时的传输到地面计算机，一 方面实现井下人员的考勤管理，另一方面为查询矿井中的人员分布情况和具体位 置提供了依据，从而实现了煤矿企业的高效、安全管理。 本文主要涉及系统总体设计、方案论证、可行性分析、地面管理中心的软件 设计与实现等内容。论文组织结构如下： 第1 章引言 介绍课题的背景、研究的意义，国内外发展现状及论文结构安排等。 第2 章z i g b e e 技术应用于井下通信的可行性分析 简要介绍z i g b e e 技术的由来、特点、应用情况及其协议栈，重点介绍z i g b e e 技术在矿井中应用的可行性分析。 第3 章无线传感器网络简介 介绍无线传感器网络的研究现状及体系结构，主要介绍无线传感器网络关键 技术中的自身定位机制和基于z i g a e e 技术的无线传感器网络平台搭建问题。 第4 章系统总体设计 主要介绍系统的工作原理、功能分析以及系统的设计思想、体系结构等内容。 第5 章系统软件设计 介绍系统软件部分的环境设计、功能设计、软件模块等内容。 第6 章结论 总结全文，阐述本论文完成的主要工作，对进一步要开展的工作进行展望。 3 第2 章z i g b e e 技术应用于井下通信的可行性分析 第2 章z ig b e e 技术应用于井下通信的可行性分析 2 1 z i g b e e 技术概述 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低成本的无线通信技术， 主要适用于自动控制和远程控制领域，支持地理定位功能，它是一种介于无线 标记技术和蓝牙技术之间的技术提案。 z i g b e e 的网络标准由i e e e8 0 2 1 5 4 工作组负责制订，以i e e e8 0 2 1 5 4 协 议为基础，使用全球免费频段进行通讯，z i g b e e 是i e e e8 0 2 1 5 4 标准在商业 推广上的名称。8 0 2 1 5 4 标准的适用范围非常贴近生产和生活，对数据速率和 q o s 的要求不高，目标市场是工业、家庭以及医疗等需要低功耗、低成本以及大 面积使用无线监控设备的领域。 z i g b e e 的整个协议构架如图2 1 所示。 图2 1z i g b e e 协议栈 其中物理层、m a c 子层遵循i e e e 8 0 2 1 5 4 协议；网络层以上协议由z i g b e e 联盟制定，应用层则由用户根据需要进行开发。 z i g b e e 定义了两个物理层标准，分别是2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m 1 4 _ z 物 理层。两个物理层都基于d s s s ( 直接序列扩频) ，使用相同的物理层数据包格 式。区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2 4 g h z 频段为 全球统一的无须申请的i s m 频段，这有助于z i g b e e 设备的推广和生产成本的降 低。2 4 g h z 频段有1 6 个信道，能够提供2 5 0 k b p s 的传输速率。8 6 8 m h z 是欧洲 的i s m 频段，9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段，这两个频段的引入避免了2 4 g h z 附近各种无线通信设备的相互干扰。8 6 8 m h z 频段只有一个信道，传输速率为 4 第2 章z i g b e e 技术应用于井下通信的可行性分析 2 0 k b p s ，9 1 5 m h z 频段有1 0 个信道，传输速率为4 0 k b p s 。物理层的主要功能包 括：激活和休眠射频收发器，信道能量检测，信道接收数据包的链路质量指示， 空闲信道评估，收发数据。 i e e e 8 0 2 系列标准把数据链路层分为媒质接入层m a c 和逻辑链路控制层 l l c 。i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 子层支持多种l l c 标准，使用物理层提供的服务 实现设备之间的数据帧传输。m a c 子层具体功能包括：协调器产生并发送信标 帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步；支持p a n 网络的关联和取消 关联；支持无线信道的通信安全；使用c s m a c a 机制；支持用于高度优先级 通信的保护时隙( g t s ) 机制；支持不同设备的m a c 层之间的可靠传输。 网络安全层的功能包括：建立新的网络、处理节点的进入和离开网络、根 据网络类型设置节点的协议堆栈、使网络协调器对节点分配地址、保证节点之 间的同步、提供网络的路由、保证数据的完整性、使用可选的a e s - 1 2 8 对通信 加密。 应用架构主要负责把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，具体而言包括：安 全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。 2 2 几种无线传输技术比较 b l u e t o o t h ( 蓝牙技术) 由爱立信、诺基亚以及i b m 等公司在1 9 9 8 年率先 推出，主要用于通信和信息设备的无线连接。蓝牙的工作频率为2 4 g h z ，有效 范围大约在1 0 m 半径内，在此范围内，采用蓝牙技术的多台设备，如手机、微 机、激光打印机等能够无线互联，以约1 m b s 的速率相互传递数据，并能方便 地接入互联网“。b l u e t o o t h 主要应用于高服务质量、多样任务周期，中等传输 速率的平等静态的具有有限活跃节点的无线网络中。目前，随着蓝牙芯片价格 和耗电量的不断降低，蓝牙已成为许多高端p d a 和手机的必备功能。 w i f i ( 无线高保真) 的正式名称是i e e e 8 0 2 1 1 b ，与蓝牙一样同属于短距 离无线通信技术，主要目的是提供w l a n 接入。w i f i 的速率最高可达l l m b s ， 数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面具有优势，可 达1 0 0 m 左右，不用说家庭、办公室，就是小一点的整栋大楼也可以使用。 u w b ( 超宽带技术) 又被称为脉冲无线发射技术，是另一个新发展起来的 无线通信技术。u w b 通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据，窄脉冲( 小于 5 第2 章z i g b e e 技术应用于井下通信的可行性分析 l n s ) 产生极大带宽的信号。u w b 被允许在3 1 1 0 6 g h z 的波段内工作。作为 商用的无线通信技术，u w b 主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地 面和身体的雷达和图像系统中。 z i g b e e 是由英国、美国、荷兰以及日本一些著名的公司于2 0 0 2 年联合推出 的低成本、低功耗、短距离传输的无线连接技术。它可以说是蓝牙的同族兄弟， 使用2 4 g h z 波段，采用跳频技术，与蓝牙相比更简单、速率更慢、功率及费用 也更低，基本速率是2 5 0 k b s ，当降低到2 8 k b s 时，传输范围可扩大到1 3 4 m ， 并获得更高的可靠性。z i g b e e 适用于非常低的任务周期、低能耗、低花费的静 态及动态的具有很多活跃节点的无线网络，所以z i g a e e 技术相对于蓝牙技术更 适合构建无线传感器网络。人们期望未来能在工业监控、传感器网络、家庭监 控、安全系统和玩具等领域拓展z i g b e e 的应用。 z i g a e e 、b l u e t o o t h 、u w b 、w i f i 几种技术的性能比较，如表2 1 所示。 表2 1z i g s e e 、b l u e t o o t h 、u 鸭、w i - f i 性能比较 z i g b e e u w bb l u e t o o t hw i f i 成本 最低最高 较低 较高 电池寿命几年几小时 几天 几天 有效距离l o m 7 5 m3 0 m l o m 1 0 0 m 传输速率2 0 4 0 2 5 0k b p s 4 0 6 0 0 m b p sl 3 m b p s5 5 1 1 m b p s 采用协议8 0 2 1 5 48 0 2 1 5 18 0 2 1 l b 通讯频道8 6 8 9 1 5 m h z 2 4 g h z3 1 1 0 6 g h z 2 4 g h z2 4 g h z 2 3 现有的井下通信机制描述 地下矿井由于有纵横交错的坑道，因而对于矿井通信而言，受矿井结构的 影响很大。 无线通信用于自由空间，能够实现移动中的通信，其根本原因是自由空间 对无线电波来讲是良好的传输媒介。而在地下矿井这个封闭空间，由于各个面 相距很近，巷道壁等对电磁波有强列的吸收、衰减作用，因此电磁波不能像在 自由空间那样传播。也由于空间相对封闭使外界的电磁波无法进入，内部的电 磁波也不能传播出去，进而造成通信盲区。因此，早期的井下通信研究都集中 在有线方面，而对更有效的无线通信方式的研究直到上世纪6 0 年代末才开展起 来。 6 第2 章z i g b e e 技术应用于井下通信的可行性分析 经过几十年的发展，目前有三种可供选择的适用于矿井通信的无线通信方 式，分别是： ( 1 ) 使用足够低的频率，令电磁波可以通过岩层传播。 ( 2 ) 安装特殊的导体或泄漏馈线。 ( 3 ) 使用足够高的频率，利用通道的波导效应传播。 2 3 1 中频通信 当中频信号在一根导体上传播时，将会耦合到附近的另一个导电体上，感 应出信号电流，导体相靠越近时，耦合到的信号越强。井下中频无线通信即是 通过电磁信号祸合到井下巷道内的导电体中，并通过导电体连续辐射出去。 在电磁波通过岩层传播的结构中，最简单的一种是在两个有较高导电率的 半无限大介质之间嵌入一个相对低导电率的平面层，采用足够低的频率，以很 小的衰减穿过大地进行传播。在煤矿特殊情况下，由于煤的电导率比周围岩石 电导率低，这种低导电率有利于地层引导电磁波。3 0 0 k h z 3 m h z 的中频段经 常被用在此类通信中，最佳频率在5 0 0 1 0 0 0 k h z 之间，通信距离1 0 0 5 0 0 m 不等。 在实际应用中，利用同轴电缆引导信号传输，为使电波向电缆外的巷道内 辐射，每隔几百米在电缆上装一个辐射器，以实现井下的无线移动通信。由于 频率低、电缆的传输损耗小( 2 d b k m 4 d b k m ) ，因而通信距离大，可直接覆 盖1 0k m 左右来满足井下通信的要求，如果加装中继器，通信距离可继续扩大， 因此这种通信系统简单实用，造价最低。但是随着科学技术的不断发展，这种 技术的缺点也越来越突出： ( 1 ) 由于波长很长，而在矿井中，天线不可能做得很长，因而导致了收发 信机的天线的效率低下。 ( 2 ) 由于是模拟通信方式，而且频率不高，所以不适合高速数字和数据通 信。 ( 3 ) 由于低频处人为噪声可能很强，所以抗干扰能力差，数据误码率高。 上面的这些缺点决定了这种技术无法在现代的矿井通信中得到广泛的应 用。 7 第2 章z i g b e e 技术应用于井下通信的可行性分析 2 3 2 泄漏馈线 泄漏馈线通信就是利用泄漏同轴电缆人为制造一个传播媒介，通过同轴波 模效应馈送和辐射信号，使无线电波在电缆中传播并不断泄漏到电缆附近的空 间。所谓泄漏电缆，是一种专门用于泄漏通信的高频电缆，电缆外导体不是全 屏蔽的，而是人为地开有泄漏槽或疏编织，从而使无线信号在其内传输时，既 能沿轴向向远方传播，又能沿径向产生泄漏信号场强。 在短波频段，泄漏电缆比普通同轴电缆的传输损耗略大( 约2 0 d b k r n 4 0 d b k m ) ；当频率更高时，泄漏能量随频率升高急剧加大，泄漏电缆的传输损 耗比普通电缆大得多。因此，泄漏通信的频率常选在2 0m i - i z 1 5 0m h z 的短波 和超短波低端，同时为了弥补能量损失，可以每隔几百米加一个中继双向放大 器，以实现井下的远距离无线通信。 泄漏馈线通信的传输质量高、工作频率高、频带宽、容量大，可以满足井 下可靠、灵活的通信要求。但泄漏馈线通信的缺点也是显而易见的： ( 1 ) 由于要沿着隧道壁安装泄漏馈线，在条件恶劣的采掘工作面、掘进头 等地无法安装，因此整个通信系统的灵活性不够。 ( 2 ) 在事故状态时，泄漏馈线可能被挤压发生变形、断裂而造成整个通信 系统的损坏。 ( 3 ) 泄漏电缆在一定频段以上，离隧道壁有一定距离后就不再辐射，即传 输频段的最大值受到约束，因此仍不适用于高速的数字通信。 2 3 3u h f 频段的通信 目前，已经有很多学者对u h f 频段( 2 0 0 4 0 0 0 m h z ) 的矿井无线电通信 进行了广泛的理论研究，并将信号能量沿着坑道和坑道拐角处的损耗作为研究 的主要内容。无线固有传播机制的特性和具有最小传播损耗的频段预测是人们 最关心的。所谓的固有传播，即没有专门安装用来导引电磁波的导线或泄漏馈 线的电波传播。因为u h f 波的波长远远小于坑道尺寸，所以一个合理的假设是 信号以波导的形式在坑道内传播。 在u h f 频段，信号衰减在径直的煤矿通道里相对较低，而信号传播到拐角 处或是传播路径中有机器阻挡时会产生很大的衰减。 在径直坑道里，信号能量总损耗是传播损耗与收发天线的插入损耗之和。 宽度和高度都比较小的坑道中，传播损耗就比较大，反之，损耗就较小。除了 8 第2 章z i g b e e 技术应用于井下通信的可行性分析 电介质煤质对电磁波的折射损耗外，隧道壁的粗糙度和倾斜度也是影响传播损 耗的因素。实验证明，在较低频率时粗糙度的影响很大，而在较高频段时倾斜 度的影响较大。在1 0 0 0 m h z 以上的u h f 频段，传输损耗随着倾斜度的增大而增 大。天线的方向对传播也有影响。当收发天线足够远时，水平极化( 即收发天 线采用h h 配置) 所产生的传输损耗远低于垂直极化，而交叉极化( v h h v ) 所 产生的损耗在水平极化和垂直极化之间。此外，由于简单偶极子天线和波导模 式不能完全耦合，因而产生了插入损耗。高增益天线系统将会使插入损耗减少 相当一部分。当天线采用h h 方向的配置时，总的损耗在5 0 01 0 0 0 m h z 的频段 将会达到最小值，当信号低于5 0 0 m h z 时，损耗急剧增大；当信号高于1 0 0 0 m h z 时，损耗增加程度相对较小。 在拐角处的传播损耗要比在径直坑道中的损耗要大的多。在拐角处，信号 有相当大的衰减，因为单个拐角就能产生很大的衰减，则多个拐角引起的衰减 将更剧烈。此外，隧道中的障碍物引起的损耗也是相当大的。 两个移动终端间的通信距离也是人们关心的问题。为获得通信距离的估计 值，三个独立于频率的损耗因素要加到总的损耗值中：收发天线未对准引起的 极化损耗；天线的非理想安装引起的天线效率损耗；破坏性的干扰引起的信号 抵消所带来的衰落。例如在4 1 5 m h z 时，这三个因素将给先前的总损耗增加2 8 d b 左右的附加损耗。经验值表明，当有拐角时，两个移动终端间的通信距离大概 只有5 0 0 英尺，当没有拐角时，两个移动终端间的直线通信距离可达到1 5 0 0 英 尺。如果通信时注意在坑道横截面上的移动终端的方向和位置，极化损耗和信 号衰落损耗会降低，从而扩大通信范围。 在u h f 频段的通信，相对于泄漏馈线通信来说，要受到煤矿坑道形状的限 制，通信的距离也受到限制，且存在一定的衰落。但它同泄漏馈线相比，其优 点也是显而易见的： ( 1 ) 比较灵活，不用附加任何基础设施。 ( 2 ) 由于频段高，适合于高速数字通信，因而便于组网。 ( 3 ) 由于工业设备的电磁干扰随频率升高而减少，所以在u h f 频段的电 磁干扰会较低，利于无线通信。 9 第2 章z i g a e e 技术应用于井下通信的可行性分析 2 4 采用z i g b e e 技术的可行性 考虑到井下人员定位系统对通信的一些特殊要求，比如：终端是便携式的， 因此要采用无线技术；通信业务以一定质量的话音和低速数据业务为主；系统 主要是要实现井下调度；需要具备一定的抗干扰性；系统的网络拓扑结构要符 合矿井施工要求；系统的容量和业务量要具有可扩充性，以及几种井下通信机 制的优缺点，本系统最终采用z i g b e e 技术完成通信。下面，结合z i g b e e 技术的 特点，进行可行性分析。 2 4 12 4 g h z 的频段 对于2 4 g h z 无线信号在矿井中的传输，许多学者已经进行了多次实验，证 明其直线传播性能较好“。有以下两个理论可以来解释这一结果： ( 1 ) 基于波导理论。矿井巷道的半封闭空间结构以及煤的电介质特性使得 矿井在频率较高的情况下类似于波导，因而较高频率无线电信号可以在其中较 为有效地直接传输。 ( 2 ) 基于无线电传输的光学射线理论。当无线电的波长远远小于限定空间 的几何尺寸时，无线电的传播可以看成是光在限定空间中直射、反射、绕射的 综合结果。因此，u h f 频段的无线电波在矿井中的传输比v h f 以及更低频段 的无线电波更加有效。 另外，根据前文几种井下通信传播机制的介绍可知，2 4 g h z 频段信号虽然 比起5 0 0 1 0 0 0 m h z 的信号在衰落性能上有劣势，但是相比较而言信号的传播 损耗还处于可以接受的范围之内，而且在频带宽度上具有优势。 同时国际上规定2 4 g h z 频段属于不需要申请的免费频段，所以更为经济方 便。再综合考虑到便携终端功耗和体积的要求，在高频段上天线的尺寸和芯片 的功耗可以较小，所以z i g b e e 所使用的2 4 g h z 频段作为井下通信的工作频段 是非常合适的。 2 4 2 直接序列扩频( d s s s ) 技术 z i g b e e 的p h y 层中接取方式是采用直接序列扩频( d s s s ) 技术。d s s s 技 术的基本思想就是通过编码和调制的方法在发送端将信号的带宽扩展到一个较 宽的频谱带宽上，在接收端使用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传 的数据信息。扩频通信的理论基础是著名的香农公式，香农公式包含着非常丰 1 0 第2 章z i g b e e 技术应用于井下通信的可行性分析 富而深刻的内容，其中最重要一点就是信道容量可以通过带宽和信噪比的互换 而保持不变。在信噪比低甚至信号淹没于噪声之中时，只要相应地增加信号带 宽，仍然可以保持可靠的通信，即用扩展频谱的方法来换取信噪比的改善，这 比加大信号功率的方法要合算得多。 直接序列扩频( d s s s ) 技术具有如下优点： ( 1 ) 具有很好的隐蔽性。扩频后的信号能量分散在很宽的频带内，相对而 言，单位频带内的功率很小，即信号的功率谱密度很低( 可明显低于环境噪声 和干扰电平) ，难以检测，因而扩频信号具有隐蔽性。而且，低功率谱密度在 工程上的直接益处就是可以降低发射功率，减少功耗，缩小设备体积。 ( 2 ) 具有保密性。扩频信号受特定伪随机序列控制，接受者如不能按此伪 随机序列的规律进行解扩，就不能恢复信号中传送的信息，因而扩频信号具有 保密性。 ( 3 ) 具有很强的抗干扰性。由于在实际应用中总是选择自相关特性和互相 关特性都较好的伪随机码作为码序列，在接收端采用相同的扩频码序列进行相 关检测，这样，其他各种干扰信号由于和它只有很小的相关性，故危害不大。 ( 4 ) 有效实现抵抗多径干扰。在移动环境中，多径干扰一直是一个难以解 决的问题。而通过扩频通信，接收端可以通过相关技术从多径信号中提取和分 离出最强的有用信号，或把多个路径的同一码序列波形相加合成，起到分集接 收的作用，因此扩频通信也是解决多径干扰的最有效措施之一。 ( 5 ) 有利于提高系统容量。在扩频系统中，由于使用多个伪随机序列作为 不同用户的地址码，这样可以共用一个频段来实现码分多址，让多个用户共享 此频带，大大提高频带利用率。 上述优点格外适合井下通信，可以抵抗井下设备和环境的干扰。 2 4 3 功耗、成本等方面的优势 z i g b e e 技术具有低功耗、低成本的优势，而这些恰好适用于煤矿井下巷道 多曲折、电源供电限制严格、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与管理系统的需求。 z i g b e e 从最初设计时就着重考虑了降低功耗。由于工作周期很短，收发信 息功耗较低，并且采用了休眠模式，z i g b e e 技术可以确保两节五号电池支持长 达6 个月到2 年左右的使用时间( 休眠模式下) ，如采用钮扣电池，还可工作 第2 章z i g b e e 技术应用于井下通信的可行性分析 更长的时间。当然不同的应用功耗是不同的。i e e e 8 0 2 1 5 4 协议中定义了两种 类型的设备：全功能设备( f f d ) 和简化功能设备( r f d ) 。对全功能设备，要 求支持所有的4 9 个基本参数，而对简化功能设备，在最小配置时只要求支持3 8 个基本参数。一个全功能设备可以与简化功能设备和其他全功能设备通讯，而 简化功能设备只能与全功能设备通话，仅用于非常简单的应用。 z i g b e e 采用一种“准备好才发送”的通信策略，也是为了尽可能多地节省 能量。它只在有数据要发送时才发送数据，然后再等待自动确认。“准备好才 发送”是一种面对面式的方案，也是一种能量效率非常高的方案。这种面对面 式的策略使得r f 干扰非常低，这主要是由于z i g b e e 节点具有非常低的占空因 数，只偶尔发射信号而且只发送小量的数据。 在具体应用时，如果在协议中采用省电机制以及使用低功耗的m c u 都可以 进一步减小整个设备的功耗。 z i g b e e 技术是2 0 0 4 年1 2 月推出1 0 版本的。现在，基于z i g a e e 的产品每 个节点( 包括一个微控制器和一个r f 收发器) 的成本是3 美元到4 美元。据业 界估计，今年下半年将进入量产期，会有1 美元左右的方案出台。并且，z i g b e e 协议是免专利费的。 z i g b e e 网络采用主从结构，每个网络有一个网络协调器( c o o r d i n a t o r ) 和 最多可达6 5 5 3 5 个的从属设备。网络协调器必须是f f d ，它负责管理和维护网 络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等。一个网络只需要一个网络协调 器，其他终端设备可以是r f d ，也可以是f f d 。r f d 的价格要比f f d 便宜得多， 并且其占用的系统资源仅约为4 k b ，因此z i g b e e 网络的整体成本也比较低。 此外，z i g a e e 技术的如下优点也比较适合井下人员定位与管理系统： 可靠性好。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专 用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。m a c 层采用完全确认的数据传输机 制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。 时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延 都非常短，设备搜索时延典型值为3 0 m s ，休眠激活时延典型值是1 5 m s ，活动设 备信道接入时延为1 5 m s 。 网络容量大，网络的自组织和自愈能力强。一个z i g b e e 网络可以容纳最多 2 5 4 个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在2 0 0 多个网络。无需人工 干预，z i g b e e 网络节点就能感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构 1 2 第2 章z i g b e e 技术应用于井下通信的可行性分析 化的网络；在增加、删除或移动节点、节点发生故障等情况下，z j g b e e 网络都 能够自我修复，保证整个系统仍然能正常工作。 2 4 4 符合无线监控应用的要求 通过2 2 节的比较可以看出，b l u e t o o t h 和w i f i 这样的标准是不适合用于 低功率嵌入式传感器网络应用中的，因为这些标准都需要较高的节点成本及复 杂且耗电的r f 芯片和协议。 z i g b e e 技术却从协议公布开始就明确定位于无线监控应用需求的标准，它 符合如下无线监控应用的要求： 需要大量节点传感器的无线解决方案； 极低的系统节点成本； 使用廉价的电池就可工作数年，这需要极低功耗的r f 芯片和协议； 节点间的链路必须安全可靠； 网络必须易于配置； 传感器节点所发出的信息总量有限，因此所需通信链路的数据传输速率处 于较低或中等水平； 低占空比的定期发送或间歇性发送( 低功耗) 是该网络通信的特点，传感 器节点通常会保持长时间的静止状态； 提供全球性的解决方案。 第3 章无线传感器网络简介 第3 章无线传感器网络简介 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具 有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这 些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注。这种传感器网络综合 了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作 地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对 这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。 传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量翔实 而可靠的信息。传感器网络是信息感知和采集的一场革命。 3 1 传感器网络的概念和发展 我们可以如下定义传感器网络：传感器网络是由一组传感器以a dh o c 方式 构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区 域中感知对象的信息，并发布给观察者。 第一代传感器网络出现在2 0 世纪7 0 年代，使用具有简单信息信号获取能力 的传统传感器，采用点对点传输连接传感控制器，构成传感器网络；第二代传 感器网络使用具有获取多种信息信号的综合能力的传感器，采用串并接口( 如 r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 ) 与传感控制器相联，构成传感器网络；第三代传感器网络出 现在2 0 世纪9 0 年代后期和本世纪初，使用具有智能获取多种信息信号能力的 传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，称为智能化传感器网 络；第四代传感器网络是目前研究开发的热点，使用大量的具有多功能多信息 信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络与传感器网络控制器连接， 构成无线传感器网络。 无线传感器网络是基于第四代无线通信技术，自适应天线阵列及分布式网 格计算技术，融合了传统传感与监测技术的下一代网络。无线传感器网络与传 统的无线网络( 如蜂窝移动电话网络) 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。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大 部分节点都是静止的。无线传感器网络中的设备体积小、能耗低，并通过无线 1 4 第3 章无线传感器网络简介 网络传播信息，能完成许多传统控制、监视设备所做不到的任务。 2 0 0 3 年，美国技术评论杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网 络被列为第一项未来新兴技术。2 0 0 4 年( i e e es p e c t r u m ) 杂志发表一期题为 “传感器的国度”的专集，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可 以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革 带来极大的影响，产生巨大的