淺議煤礦井下應(yīng)急救援通信系統(tǒng)中ZigBee技術(shù)的應(yīng)用

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)生時及時搶救受難人員，保證救援工作順利進行。文章先簡要概述了ZigBee技術(shù)的內(nèi)涵及其特點，然后詳細介紹了煤礦井下應(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)，在煤礦井下實現(xiàn)對井下人員和礦車的位置信息的鎖定，以及對井下各項環(huán)境參數(shù)進行不斷地檢測和檢查，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)場環(huán)境的參數(shù)的分析和人員位置的掌握能夠及時快速地實施救援工作，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)送信號時用肢體語言跳的Zigzag行舞蹈，來傳達位置信息而來。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，其通訊距離可從標準的75m到數(shù)百米不等，并且支持無限擴展。

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、傳感和遠程控制領(lǐng)域。ZigBee傳感器節(jié)點采用多跳路由實現(xiàn)通信傳輸，數(shù)據(jù)在節(jié)點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)，一方面負責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)點之間通過無線通信完成數(shù)據(jù)傳輸，分站作為主機，工作在查詢方式，分站通過控制ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送無線信號對區(qū)域節(jié)點參數(shù)進行檢測，完成對監(jiān)控信息的采集和存儲。另一方面井下通信分站要實時的和地面監(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，實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。

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：存儲器接口電路、電源電路、時鐘電路、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)對井下環(huán)境進行檢測。

ZigBee終端節(jié)點采集到的環(huán)境參數(shù)進行處理分析，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。

2.2 ZigBee無線通信終端采集節(jié)點方案設(shè)計

ZigBee終端設(shè)備可以由FFD（全功能設(shè)備）或者RFD（精簡功能設(shè)備）擔任。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，也可作為人員定位節(jié)點。將巷道環(huán)境信息經(jīng)ZigBee節(jié)點傳輸，也可以通過路由器節(jié)點采用多跳傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。也可以接收到人員身上的定位標簽，進而實現(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)點主要由聲光報警、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)點的示意圖如圖1所示。

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

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜多變，所以對傳感器的選擇和電路的排布有較高的要求，在選擇芯片時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)點作為終端節(jié)點的代表，介紹環(huán)境參數(shù)采集與報警功能。將通信節(jié)點加入Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)。通常情況下，入網(wǎng)節(jié)點是處于睡眠狀態(tài)，這樣可以降低節(jié)點的電量消耗。通過軟件設(shè)計使定時器每隔30s切換到喚醒模式，并采集10次環(huán)境參數(shù)，附近的節(jié)點會相對有30秒的采集延時。ZigBee節(jié)點才開始工作。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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后判斷甲烷濃度是否會造成事故。如果檢測到的甲烷濃度超過設(shè)定值則蜂鳴器會報警，并將數(shù)據(jù)通過無線傳輸至通信分站。當數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束以后，節(jié)點重新休眠。

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，實現(xiàn)了將收集到的ZigBee路由節(jié)點的數(shù)據(jù)進行分析處理后經(jīng)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C；當上位機需要檢測某一區(qū)域的環(huán)境參數(shù)時，協(xié)調(diào)器節(jié)點就會發(fā)送相應(yīng)的信標，從而喚醒正在體眠的路由器節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；通過傳感器來實現(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，并能夠加載時間信息，經(jīng)路由節(jié)點傳輸?shù)骄峦ㄐ欧终尽?/p>

參考文獻：

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