ZigBee技术在煤矿井下救援系统中的应用_湛浩旻(1)

1、!工程与应用ZigBee 技术在煤矿井下救援系统中的应用湛浩旻孙长嵩吴珊李冬艳( 哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院, 哈尔滨 150001)E- mail: HYPERLINK mailto: 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 GIS 无线传感器网络 救援系统 ZigBee 人员定位系统文章编号 1002- 8331- ( 2006) 2

2、4- 0181- 03 文献标识码 A 中图分类号 TP393The Application of the ZigBee Technology in Coal Mine Rescue SystemZhan HaominSun ChangsongWu ShanLi Dongyan( College of Computer Science & Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001)Abstract: When a security accident happened to the coal mine, it is cruc

3、ial to get the information about the locations of the mining operations personnel timely and accurately.In this paper, the ZigBee technology of wireless sensor networks is used in coal mine rescues system to construct a wireless sensor network, which will be the hardcore of the personnel wireless po

4、sitioning system in coal mine.Nowadays, the personnel positioning system in coal mine has entered debugging and running- in stage.Keywords: GIS, wireless sensor networks, rescue system, ZigBee, personnel positioning system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

5、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。上述技术有的成本较高, 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。本文提出了一个基于 ZigBee 技术的煤矿井下无线网络通信系统成功解决上述问题。煤矿井下救援系统的功能与关键技术统计分析表

6、明, 全国煤矿瓦斯事故数占事故总数大约70%。因此本煤矿井下救援系统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。GIS地理信息系统( Geographic Information Sy

7、stems, GIS) , 是信息系统的一种, 它以表征地球表层空间地理现象和事物的地理空间数据和信息为特定的运作对象1。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、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。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

8、, 融合了传统传感与监测技基金项目: 黑龙江省 2004 年度重大科技攻关项目资助( 编号: GA04A501- 2)为计算机图形学。作者简介: 湛浩旻( 1975- ) , 男, 硕士研究生, 工程师, 主要研究方向为软件工程和信息系统。孙长嵩( 1944- ) , 男, 教授, 硕士生导师, 主要研究方向为信息系统、计算机图形学。吴珊( 1982- ) , 女, 硕士研究生, 主要研究方向为专家系统。李冬艳( 1982- ) , 女, 硕士研究生, 主要研究方向计算机工程与应用 2006.24181术的下一代网络( NGN) 。无线传感器网络与传统的无线网络( 如 WLAN 和蜂窝移动电话

9、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2。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。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大的应用价值。网络节点典型的无线传感器网络3

10、如图 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。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 2.400GHz2.484GHz, 欧洲采用的频段是868.0MHz868.6MHz, 美国采用的频段是 902MHz928MHz, 传输速率分别为

11、 250kbps、20kbps 和 40kbps, 通讯距离的理论值为 10m75m。ZigBee 最显著的技术特点是它的低功耗和低成本, 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 体系结构如图 2 所示。其中物理层、介质访问层和数据链路层基于 IEEE802.15.4 无线个人局域网( 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65 0003个) 、ZigBee 设

12、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。应用层网络层和应用支持层数据链路层介质访问层物理层图 2 ZigBee 体系结构图 1 典型的无线传感器网络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, 主要目的是提供 WLAN 接入。ZigBee 是由英国、美国、荷兰以及日本一些著名的公司于 2002 年联合推出的低成本、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 /

13、4 或带宽大于 1.5G 无线发射方案, 作为商用的无线通信技术。ZigBee, BlueTeeth, UWB, Wi- Fi, 进行性能比较4, 5, 6如表 1 所示。ZigBeeUWBBlueToothWi- Fi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10m75m30m10m100m表 1 几种无线传输方式比较基于 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

14、并及时通知井下作业人员; 事故发生后, 可以辅助快速制定救援方案, 减少人员的伤亡。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2.6GHz, 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 2.4GHz MC13192 射频收发器, 数据调制解调器。软件环境定位系统在 Microsoft Windows 2000 Server 操作系统环境

15、下开发, 采用的开发工具是 VB.net, 选用 MapX5.0 和 Mapinfo Professional7.5 完成系统的 GIS 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 MC 13192+GT60 开发套传输速率20/40/250kbps40Mbps600Mbps 1Mbps3Mbps 5.5/11Mbps件工具。采用协议802.15.4802.15.1802.11b3.3数据通讯网络的组成通讯频道 868M/915m/2.4GHz 3.1GHz10.6GHz2.4GHz2.4GHz定位系统中的网络主要由 ZigBee 无线自组网络和以太网从表 1 中可以

16、得出低功耗、低成本的就是 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络。它以 IEEE 802.15.4 协议为基础, 使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

17、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。Ethernet 网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。1822006.24 计算机工程与应用为保证 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( Chann

18、el) 。煤矿井下救援系统地面井口以太网接入节点接入节点ZigBee 网络ZigBee 网络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。图 3 ZigBee 网络拓扑结构3.4井下人员定位井下人员定位的过程如下: 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

19、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。接入以太网路由节点J1L1L2D1煤 层L3巷 道L5L4D3D2 J2定位节点接入节点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:图 4 井下人员定位系统组成示意图( 1) 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。( 2) 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。( 3) 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RS

20、232 串口进行通讯连接。下面对图 4 中定位节点 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。从图 4 中可以看出 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:D1L2L1J1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:D3L4L5J2以太网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

21、L4 同时通讯, 路由路径为:D2L4L5J2以太网D2L3L2L1J1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: 每个 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( Link Quality Indicator) 和 SSI( Signal Strength Indicator) , 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。结束语本文提出了一种基于 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