王建鵬

(山西省自動化研究所，山西太原030012)

我國作為世界產(chǎn)煤大國，煤礦產(chǎn)量占世界35%。但我國同時也是礦難大國，因礦難的死亡人數(shù)竟占世界的80%，煤礦百萬噸死亡率是美國的100倍、南非的30倍。這其中大多是因為瓦斯爆炸引起的，嚴重威脅著礦工的生命安全。因此煤礦都需要建立完善的自動監(jiān)測、預警系統(tǒng)，對礦井中的瓦斯、一氧化碳等易燃易爆氣體含量以及溫度、濕度等重要參數(shù)及時掌握，保證工作環(huán)境的安全。

目前傳統(tǒng)的管理方式基本都是靠工作人員實地觀測并通過對講機等通訊設施，人工向監(jiān)控中心匯報情況，安全性和實時性都較差，還可能造成無法發(fā)現(xiàn)、漏報、遲報等危險。因此基于各種網(wǎng)絡的自動監(jiān)測系統(tǒng)成為了煤礦安全生產(chǎn)發(fā)展的方向。

國內(nèi)目前在礦區(qū)使用的較成熟的監(jiān)測系統(tǒng)，大多采用有線方式，如 KJF2000、KJ4/KJ2000等系統(tǒng)［1］。但有線系統(tǒng)存在著布線麻煩、設備無法隨意移動、難以進行人員跟蹤定位等缺點。因此基于無線傳感網(wǎng)絡的無線監(jiān)測系統(tǒng)成為了目前研究和應用的重點［2］，但這些系統(tǒng)大多處于研究階段，相關(guān)現(xiàn)場設備大多是自主研發(fā)的樣機，可靠性和實用性不高，而且往往功能單一。

本文通過對成熟的無線傳感網(wǎng)絡設備和各種現(xiàn)場傳感器的集成應用，實現(xiàn)對煤礦作業(yè)現(xiàn)場的溫濕度、瓦斯?jié)舛纫约叭藛T定位等重要信息的實時監(jiān)測，具有系統(tǒng)開發(fā)難度低、可靠性高、功能全面等特點。

1 無線傳感網(wǎng)絡及設備

隨著計算機、通信和網(wǎng)絡技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡應運而生。工業(yè)無線網(wǎng)絡是從新興的無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展而來的，具有低成本、低功耗、高度靈活性、擴展性強等特點，已經(jīng)成為繼現(xiàn)場總線技術(shù)后的又一個研究熱點，文獻［3］對于工業(yè)無線網(wǎng)絡的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了研究和對比?？紤]到Zigbee技術(shù)應用的廣泛性和成熟性，因此該項目采用Digi公司基于Zigbee協(xié)議的工業(yè)用ConnectPort?X網(wǎng)關(guān)及XBee?ZB適配器產(chǎn)品。

1.1 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡通信協(xié)議

Zigbee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，由IEEE 802.15.4和Zigbee聯(lián)盟共同制定。Zigbee技術(shù)廣泛應用于各種短距低速的場合，如醫(yī)療護理、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和遙測遙控等。Zigbee的網(wǎng)絡設備通常分為三類:中心協(xié)調(diào)器(PAN Coordinator)、路由器(Router)和終端節(jié)點(End Device)。其中前兩類具有路由功能，可組成全Mesh網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。而終端節(jié)點不具有路由功能，只能與中心協(xié)調(diào)器或路由器單跳連接，組成星型網(wǎng)絡。終端節(jié)點的優(yōu)勢是可以進入休眠模式，以降低功耗。由這三類設備可組成各種不同的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

作為全球Zigbee和數(shù)傳領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，美國Digi公司擁有完整的Zigbee產(chǎn)品和解決方案。其中加強型Zigbee系列(XBee Pro)室外可視距離達到1.6 km，最大傳輸速率250 kbps，支持最新的Zigbee Pro協(xié)議，參數(shù)可配置，可組成任意網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，具有網(wǎng)絡安全加密、路由/終端節(jié)點自動加入網(wǎng)絡、信道跳頻等特點。并且作為工業(yè)級產(chǎn)品，具有較高的可靠性和工業(yè)應用價值。

1.2 ConnectPort? X 網(wǎng)關(guān)

ConnectPort?X網(wǎng)關(guān)為無線XBee網(wǎng)絡上的終端設備提供IP網(wǎng)絡連接。網(wǎng)關(guān)采集終端節(jié)點數(shù)據(jù)，處理后通過以太網(wǎng)、Wifi或無線蜂窩連接發(fā)送到上級應用?？蛇x多種配置，同時內(nèi)置Python開發(fā)環(huán)境，使用戶可以在網(wǎng)關(guān)中實現(xiàn)應用的定制，支持不同應用。

圖1 Zigbee設備及網(wǎng)路拓撲結(jié)構(gòu)［4］

ConnectPort?X網(wǎng)關(guān)具有連接狀態(tài)及信號強度等指示，采用4”全向天線，通過10/100Mbps自適應RJ－45以太網(wǎng)端口實現(xiàn)與上級計算機的連接。采用工業(yè)金屬外殼設計，6～30VDC輸入電壓，安全性和電磁兼容性/抗擾度達到國際標準。

1.3 XBee? ZB適配器/傳感器

XBee?ZB適配器通過一系列可供靈活選擇的物理接口，與智能電子設備進行連接，使這些智能電子設備具有了符合Zigbee協(xié)議的無線通信能力。所提供的可選物理接口包括RS－232、RS－485、數(shù)字量I/O和模擬量I/O等。這些適配器有多種配置和定制選項供用戶選擇，以滿足不同應用的需求。它是傳感器、控制器、其它有線應用和有通用接口設備無線聯(lián)網(wǎng)的理想選擇。

XBee?ZB傳感器集成了環(huán)境溫度、光強和濕度測量功能，溫度測量范圍－18℃ ～55℃，光譜帶寬范圍360～970 nm，濕度測量范圍0～100%RH，電池供電，便于攜帶。

XBee－PRO ZB系列的發(fā)射功率達+17 dBm，接收靈敏度－102 dBm;采用IP66外殼，達到三防效果;輸入電壓范圍3.7～6VDC和9～30VDC可選，支持外接電源或電池供電，并可配置為中心協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點和終端節(jié)點中的任意一種。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及組網(wǎng)方式

本文所涉及的煤礦綜合監(jiān)測系統(tǒng)，主要目的是實現(xiàn)井下溫濕度、瓦斯以及作業(yè)人員位置的監(jiān)測?？紤]到溫濕度和瓦斯的測量是在固定位置，而作業(yè)人員的位置是變動的，因此考慮將溫濕度和瓦斯的測量作為一個集成的路由節(jié)點存在，而作業(yè)人員作為一個終端節(jié)點存在。這樣，構(gòu)成了一個基于Zigbee簇狀網(wǎng)絡的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

“地面”的“現(xiàn)場監(jiān)視站”，還可以利用Digi公司提供的云平臺［5］，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布和遠程監(jiān)視。

對于“井下”的Zigbee無線通信網(wǎng)絡而言，包括三種類型設備:“網(wǎng)關(guān)”、“環(huán)境數(shù)采設備”和“人員位置數(shù)采設備”:

●“ConnectPort網(wǎng)關(guān)”放置在井口處，一方面作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器，與“地面”上級系統(tǒng)建立接口和連接;同時也作為整個井下無線系統(tǒng)的中心協(xié)調(diào)器存在，負責無線網(wǎng)絡的建立和維護。

●“環(huán)境數(shù)采設備”按一定距離(300 m)在井內(nèi)進行放置，實現(xiàn)對溫濕度及瓦斯等環(huán)境參數(shù)的測量?？紤]到這些節(jié)點需要同時作為人員位置監(jiān)測的參考點，此外從網(wǎng)絡的可靠性角度出發(fā)(如果中間有一個節(jié)點故障，仍希望網(wǎng)絡是正常工作的)，因此這些固定放置的環(huán)境監(jiān)測設備作為Zigbee的路由器存在，其供電也將采用有線方式;所有環(huán)境監(jiān)測設備組成鏈狀網(wǎng)絡，最終與“網(wǎng)關(guān)”實現(xiàn)連接和數(shù)據(jù)交互。

●“人員位置跟蹤設備”采用XBee? ZB傳感器模塊，由井下礦工隨身攜帶，從功耗角度考慮，該類設備作為Zigbee的終端節(jié)點存在，因此可以保持較長的工作時間。同時該終端節(jié)點采用網(wǎng)絡主動搜尋模式，可以按預先設定的時間間隔喚醒并主動搜尋最近的路由節(jié)點并加入網(wǎng)絡，由此實現(xiàn)定位跟蹤。

井下“環(huán)境數(shù)據(jù)采集設備”的構(gòu)成如圖3所示，包括溫濕度傳感器、瓦斯傳感器以及一個XBee－PRO ZB適配器。

圖3 井下無線數(shù)采設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

●溫濕度傳感器:采用E+E公司的EE30EX本安型溫濕度傳感器［6］，溫度測量范圍－40℃ ～180℃，濕度測量范圍0～100%RH，采用24VDC供電，輸出范圍0～10 V或4～20 mA。

● 瓦斯傳感器:采用中煤科常州自動化研究院的KGJ16B型瓦斯傳感器［7］，測量范圍 0～4%CH4，采用 9 ～24 VDC供電，輸出范圍1～5 mA，通過串聯(lián)電阻可變換為1～5 V。

●XBee－PRO ZB適配器:由于溫濕度和瓦斯傳感器均為模擬型輸出，因此選用模擬輸入型XBee－PRO ZB適配器，有三組模擬輸入通道，0～10 V或4～20 mA可配置。目前系統(tǒng)僅使用了其中的2個輸入通道，并且均選用0～10 V測量范圍。

3 結(jié)束語

采用已有的成熟傳感器和無線傳感網(wǎng)絡設備，通過集成和組網(wǎng)，實現(xiàn)煤礦井下作業(yè)環(huán)境和人員位置的實時監(jiān)測。同時根據(jù)測量功能和節(jié)點位置的不同，將環(huán)境測量用設備配置為Zigbee路由節(jié)點，按一定間隔進行固定放置;而將人員定位設備配置為Zigbee終端節(jié)點，可進入低功耗模式，同時自動搜尋最近的路由節(jié)點，實現(xiàn)位置的跟蹤定位。

該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、可靠性高、功能全面等優(yōu)點，適合于煤礦綜合監(jiān)測的廣泛應用。

［1］張申，丁恩杰，武增.煤礦井下綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的研究［J］.煤炭學報，2002，27(2):206 －210.

［2］阮殿旭，唐大放，張曉光，等.Zigbee技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡在煤礦井下環(huán)境監(jiān)測中的應用研究［J］.煤礦機械，2008(6):163－164.

［3］高漢榮，馮冬芹.工業(yè)無線網(wǎng)絡的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.中國儀器儀表，2008增刊:87－89.

［4］Digi International Inc.XBee?/XBee－PRO ? ZB RF Modules［M］.Digi International Inc.USA.2012.

［5］Digi International Inc.iDigi? Device Cloud:Overview［M］.Digi International Inc.USA.2009.

［6］E+E電子公司.EE30EX系列產(chǎn)品說明書［Z］.E+E電子公司.德國.

［7］中煤科常州自動化研究院［OL］.http://www.cari.com.cn/kgj16.htm.