ZigBee技术在煤矿井下救援系统中的应用

1、ZigBee技术在煤矿井下救援系统中的应用摘要在煤矿井下发生安全事故后，及时准确地获知井下作业人员的位 置信息是至关重要的。提出了将无线传感器网络中的 ZigBee技术应用 于煤矿井下救援系统中，组成无线传感器网络，构建井下人员无线定 位系统的设计方案。目前，井下人员定位系统已经处于调试和试运行 阶段，运行效果良好。关键词G1S无线传感器网络救援系统ZigBee人员定位系统1 引言近年来，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

2、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。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。2 煤矿井下救援系统的功能与关键技术 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

3、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持 ;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。2.1GIS地理信息系统（Geographic In formatio nSysta nsGIS）是信息系统的一种， 它以表征地球表层空间地理现象

4、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知识的系统。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、 换行管理、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2.2 无线传感器网络 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 （NGN）。无线传感器

5、网络与传统的无线网络（如 WLAN 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

6、大的应用价值。 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2.3 几种无线传输技术比较蓝牙技术是爱立信、诺基亚以及IBM等公司在1998年率先推出，主要 用于通信和信息设备的无线连接。Wi-Fi （无线高保真）是一种无线通信 协议，主要目

7、的是提供 WLAN接入。ZigBee是由英国、美国、荷兰以 及日木一些著名的公司于 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。 UWB 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。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，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系统的需求。2.4ZigBeeZigBee 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

8、络。它以IEEE802.15.4协议为基础，使1822006.24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 868.0MHz-868.66MHz美国采用的频段是 902MHz-928MHz传输速率分 别为250kbps20kbps和40kbps通讯距离的理论值为10m-75m。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。 ZigBee 体 系结构中物

9、理层、介质访问层和数据链路层基于IEEE802.15.砒线个人 局域网（WPAN标准协议;ZigBee在IEEE802.15.4标准基础之上建立网络 层和应用支持层，包括巨大数量节点的处理最大节点数可以达到 650003个）、 ZigBee 设备对象、用户定义的应用轮廓以及应用支持层 等。应用层则由用户根据需要进行开发。3基于ZigBee技术的井下人员定位结合煤矿井下生产作业的特殊性和要求，采用基于ZigBee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

10、故发生后，可以辅助快速制定救援方案，减少人员的伤亡。3.1 硬件环境 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26GHz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并且支持双屏幕显示以及 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）。 飞思卡尔公司的 24GHZMC13192射频收发器，数据调制解调器。3.2软件环境定位系统在 MicrosoftWindows2000Server 操作系统环境下开发， 采用的 开发工具是VB.net选用MapX5.0

11、和MapinfoProfessional7.5完成系统的 G1S 部分的开发，后台数据库使用 Oracle 数据库系统。飞思卡尔公司 的MC13192+GT60开发套件工具。33 数据通讯网络的组成定 位 系 统 中的 网 络 主 要 由 ZigBee 无 线 自 组 网 络 和 以 太 网Ethernet(IEEE802.3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构成主要的数据换行传输骨干通道。由于井下巷道内对有线的电力供应有严格限制，ZigBee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。Etherne侧

12、 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。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(Channe*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。3.4 井下人员定位井下人员

13、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。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 ： 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。 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。 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

14、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。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。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：D1 L2 Ll JI以太网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：D3t L4 t L5 t J2l太网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L

15、4同时通讯，路由路径为：D2t L4 t L5 t J2T 太网D2t L3t L2t Ll t以太网系统工作时，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 ：(1) ZigBee节点的标识 海个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。(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 ：LQI(LinkQualityIndicator) 和 SSI(SignalStrengthIndicator，) 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。4 结束语木文提出了一种基于ZigBee技术的井下人员无线定位系统的开发和使 用，该技术能够大大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