陳海艦

摘要：基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下應(yīng)急救援通信系統(tǒng)為煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境的安全提供了保障，并能夠做到在礦難發(fā)生時(shí)及時(shí)搶救受難人員，保證救援工作順利進(jìn)行。文章先簡(jiǎn)要概述了ZigBee技術(shù)的內(nèi)涵及其特點(diǎn)，然后詳細(xì)介紹了煤礦井下應(yīng)急救援通信系統(tǒng)中ZigBee技術(shù)的應(yīng)用，以供參考。

關(guān)鍵詞：煤礦井下；應(yīng)急通信系統(tǒng)；ZigBee技術(shù)；應(yīng)用

引言

煤礦井下應(yīng)急通信系統(tǒng)是綜合了有線通信與無線通信技術(shù)，在煤礦井下實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員和礦車的位置信息的鎖定，以及對(duì)井下各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行不斷地檢測(cè)和檢查，包括溫度、甲烷濃度、一氧化碳濃度、氧氣濃度等，能夠有效的預(yù)防災(zāi)害事故發(fā)生。以及在災(zāi)害發(fā)生后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的參數(shù)的分析和人員位置的掌握能夠及時(shí)快速地實(shí)施救援工作，為礦井安全作業(yè)提高了安全保障。

1 ZigBee技術(shù)概述

Zigbee無線通信技術(shù)也叫作紫蜂技術(shù)，是根據(jù)蜜蜂在向自己的同伴發(fā)送信號(hào)時(shí)用肢體語言跳的Zigzag行舞蹈，來傳達(dá)位置信息而來。在此之前ZigBee技術(shù)也被稱作“Home RF”或者“fire Fly”無線電技術(shù)。ZigBee是一種可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，ZigBee的傳播網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的基站比較像，在無干擾的的理想環(huán)境中，其通訊距離可從標(biāo)準(zhǔn)的75m到數(shù)百米不等，并且支持無限擴(kuò)展。

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、復(fù)雜度低、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。其工作頻率有868/915/2400MHz，三個(gè)頻段上的數(shù)據(jù)傳輸速率分別為20kbps、40kbps以及250kbps。ZigBee最顯著的技術(shù)特點(diǎn)是低功耗，由于所有終端采集的ZigBee模塊在未接收到指令之前一直處于體眠狀態(tài)，還有較低的數(shù)據(jù)傳輸率和較低的工作頻段，從整體上降低了它的功耗。ZigBee短距離無線通信技術(shù)主要適合于工業(yè)控制、傳感和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)采用多跳路由實(shí)現(xiàn)通信傳輸，數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間通信過程中盡量消耗較少的能量。

2 ZigBee技術(shù)在煤礦井下應(yīng)急救援通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 ZigBee技術(shù)在井下通信分站中的應(yīng)用

井下通信分站是煤礦井下應(yīng)急救援通信系統(tǒng)的主要通信環(huán)節(jié)，一方面負(fù)責(zé)接收和處理煤礦井下的監(jiān)控信息，分站與井下ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)之間通過無線通信完成數(shù)據(jù)傳輸，分站作為主機(jī)，工作在查詢方式，分站通過控制ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送無線信號(hào)對(duì)區(qū)域節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，完成對(duì)監(jiān)控信息的采集和存儲(chǔ)。另一方面井下通信分站要實(shí)時(shí)的和地面監(jiān)控指揮中心通信，主要通過“CAN總線+以太網(wǎng)”相結(jié)合的有線通信方式，實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

通信分站作為煤礦井下應(yīng)急救援通信系統(tǒng)的核心設(shè)備，硬件電路主要包括：存儲(chǔ)器接口電路、電源電路、時(shí)鐘電路、CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接口電路、串口電路和ZigBee協(xié)調(diào)器電路以及JTAG接口電路等。通信分站不僅可以實(shí)現(xiàn)不同總線協(xié)議間的轉(zhuǎn)化，提高系統(tǒng)的兼容性。還可以通過井下環(huán)境信息的采集，根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)井下環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行處理分析，經(jīng)無線傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，再通過串口通信和STM犯微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最后將信息整合之后經(jīng)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

2.2 ZigBee無線通信終端采集節(jié)點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

ZigBee終端設(shè)備可以由FFD（全功能設(shè)備）或者RFD（精簡(jiǎn)功能設(shè)備）擔(dān)任。由于FFD不僅可以發(fā)送數(shù)據(jù)而且可以接收數(shù)據(jù)，還有路由的功能。所以終端采集節(jié)點(diǎn)采用全功能設(shè)備FFD構(gòu)成。利用FFD的收發(fā)功能既可以作為終端環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)，也可作為人員定位節(jié)點(diǎn)。將巷道環(huán)境信息經(jīng)ZigBee節(jié)點(diǎn)傳輸，也可以通過路由器節(jié)點(diǎn)采用多跳傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。也可以接收到人員身上的定位標(biāo)簽，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人員定位。礦井救援需要采集眾多的環(huán)境參數(shù)，如甲烷、氧氣，co等氣體含量等。應(yīng)急救援通信系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)主要由聲光報(bào)警、氣體濃度和人員位置信息采集、電源模塊等構(gòu)成。終端參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)的示意圖如圖1所示。

由ZigBee模塊組成的終端采集節(jié)點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)井下參數(shù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)和人員定位功能。由于礦井發(fā)生災(zāi)難時(shí)首先要保證人員及礦車等的安全，所以要求ZigBee節(jié)點(diǎn)具有全功能的設(shè)備，完成對(duì)人員和礦車的定位要求，那就需要ZigBee終端節(jié)點(diǎn)既可以接收數(shù)據(jù)又可以發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)模塊的集成化，也可以實(shí)現(xiàn)功能的多樣化，減少了終端節(jié)點(diǎn)的，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定。

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜多變，所以對(duì)傳感器的選擇和電路的排布有較高的要求，在選擇芯片時(shí)必須要慎重考慮其安全防爆的問題。

2.3井下甲烷濃度采集流程

以甲烷傳感器終端節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)的代表，介紹環(huán)境參數(shù)采集與報(bào)警功能。將通信節(jié)點(diǎn)加入Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)。通常情況下，入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是處于睡眠狀態(tài)，這樣可以降低節(jié)點(diǎn)的電量消耗。通過軟件設(shè)計(jì)使定時(shí)器每隔30s切換到喚醒模式，并采集10次環(huán)境參數(shù)，附近的節(jié)點(diǎn)會(huì)相對(duì)有30秒的采集延時(shí)。ZigBee節(jié)點(diǎn)才開始工作。甲烷采集程序流程圖如圖2所示。

利用ZigBee技術(shù)可以將煤礦井下應(yīng)急救援系統(tǒng)采集到的甲烷模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后判斷甲烷濃度是否會(huì)造成事故。如果檢測(cè)到的甲烷濃度超過設(shè)定值則蜂鳴器會(huì)報(bào)警，并將數(shù)據(jù)通過無線傳輸至通信分站。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束以后，節(jié)點(diǎn)重新休眠。

結(jié)束語

將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下應(yīng)急救援通信系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了將收集到的ZigBee路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后經(jīng)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；當(dāng)上位機(jī)需要檢測(cè)某一區(qū)域的環(huán)境參數(shù)時(shí)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)送相應(yīng)的信標(biāo)，從而喚醒正在體眠的路由器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；通過傳感器來實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)采集，如溫度、氧氣濃度、一氧化碳濃度、甲烷濃度及人員位置等，并能夠加載時(shí)間信息，經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)骄峦ㄐ欧终尽?/p>

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