無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐加恒+++訾美幸+++趙緒帥

摘 要：文章分析了目前煤礦井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，并介紹了ZigBee的特點(diǎn)和在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)監(jiān)控；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；ZigBee

一、煤礦井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前煤礦井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)層出不窮、各式各樣，基本形成一條信息化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。但是傳統(tǒng)的煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)存在以下問題：

（一）有線通信方式布線復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度高；

（二）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，不適合掘進(jìn)工作面延伸的動(dòng)態(tài)變化要求；

（三）監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)固定，容易出現(xiàn)監(jiān)測(cè)盲區(qū)；

（四）工作現(xiàn)場的通信線路容易破壞，破壞后的恢復(fù)周期一般較長；

（五）通信線路維護(hù)成本高，造成部分煤礦出現(xiàn)維護(hù)、邊生產(chǎn)的違規(guī)現(xiàn)象甚至有些煤礦干脆不維護(hù)。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特征：

（一）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)是密集分布的，數(shù)量很大，在一個(gè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)往往要部署成千上萬個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。

（二）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生變化，由于在一個(gè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)非常密集，所以必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仔細(xì)管理。

（三）傳感器節(jié)點(diǎn)主要使用廣播通信體制，其中最引人注目的是先進(jìn)的通信技術(shù)是超寬帶通信技術(shù)，而大部分專用網(wǎng)絡(luò)都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

（四）傳感器節(jié)點(diǎn)的電源功率、計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量都有一定的限制，為了降低功耗，一般采用喚醒的工作方式，即事件觸發(fā)的方式。

（五）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般都是在一個(gè)開放式空間中自主、自組織、無人值守地工作。

（六）在煤礦下，傳感器節(jié)點(diǎn)一般都是隨機(jī)地部署在不同的需要監(jiān)測(cè)區(qū)域執(zhí)行其特定的功能。各傳感器節(jié)點(diǎn)事先不知道自身所處的位置，通過部署后的實(shí)時(shí)自定位，就能以自組織的方式相互協(xié)調(diào)地組網(wǎng)工作。

目前無線技術(shù)已經(jīng)開始在煤礦井下使用，結(jié)合煤礦井下特殊情況以及無線技術(shù)的特點(diǎn)，ZigBee和WiFi技術(shù)是將來的發(fā)展方向，以下主要介紹ZigBee技術(shù)。

三、ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。這種無線通信技術(shù)具有多種特點(diǎn)。

功耗低：工作模式情況下，ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短，其次在非工作模式時(shí)，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式。設(shè)備搜索時(shí)延一般為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節(jié)點(diǎn)非常省電，ZigBee節(jié)點(diǎn)的電池工作時(shí)間可以長達(dá)6個(gè)月到2年左右。同時(shí)，由于電池時(shí)間取決于很多因素，例如電池種類、容量和應(yīng)用場合，ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對(duì)電池使用也作了優(yōu)化。對(duì)于典型應(yīng)用，堿性電池可以使用數(shù)年，對(duì)于某些工作時(shí)間和總時(shí)間（工作時(shí)間+休眠時(shí)間）之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過10年。

數(shù)據(jù)傳輸可靠：ZigBee的媒體接入控制層（MAC層）采用talk-when-ready的碰撞避免機(jī)制。在這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)則立刻傳送，發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，并進(jìn)行確認(rèn)信息回復(fù)，若沒有得到確認(rèn)信息的回復(fù)就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴Ｍ瑫r(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。同時(shí)ZigBee針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。

網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使它非常適宜支持簡單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡化功能器件（RFD）。對(duì)全功能器件，要求它支持所有的49個(gè)基本參數(shù)。而對(duì)簡化功能器件，在最小配置時(shí)只要求它支持38個(gè)基本參數(shù)。一個(gè)全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按三種方式工作，分別為個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應(yīng)用。一個(gè)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)最多包括有255個(gè)ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)是主控（Master）設(shè)備，其余則是從屬（Slave）設(shè)備。若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Network Coordinator），整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過64000個(gè)ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，再加上各個(gè)Network Coordinator可互相連接，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀。

兼容性：ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽/沖突檢測(cè)（CSMA-CA）方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。

安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級(jí)安全性。第一級(jí)實(shí)際是無安全方式，對(duì)于某種應(yīng)用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護(hù)，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對(duì)于第二級(jí)安全級(jí)別，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級(jí)不采取加密措施。第三級(jí)安全級(jí)別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）的對(duì)稱密碼。AES可以用來保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

結(jié)語：

煤礦企業(yè)在進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)候面臨的工作環(huán)境是非常復(fù)雜的，而且，在進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)候一旦出現(xiàn)問題導(dǎo)致的后果將是無法預(yù)計(jì)的，近年來，煤礦企業(yè)在進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)候出現(xiàn)了很多的安全事故，這樣就使得人們對(duì)其安全生產(chǎn)問題更加重視。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠更好的對(duì)各個(gè)礦井的生產(chǎn)情況進(jìn)行掌握，同時(shí)通過對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，這樣能夠更好的保證安全生產(chǎn)情況，同時(shí)，也是一種非?？茖W(xué)的管理手段。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控能夠更加準(zhǔn)確的獲取各種信息，同時(shí)，也能將出現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行反映，系統(tǒng)在功能方面是非常完善的。及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行處理，保證煤礦企業(yè)的生產(chǎn)不受到影響，更好的促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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