ZigBee在煤礦井下人員定位中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

寧傳文

（淮河能源煤業(yè)公司，安徽淮南 232091）

0 引言

目前中國(guó)煤礦井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)基本上都是基于點(diǎn)的測(cè)控系統(tǒng)，該模式特點(diǎn)是基于主機(jī)和分站（點(diǎn)）的監(jiān)測(cè)模式，所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)除本地測(cè)控外，傳回主機(jī)由主機(jī)對(duì)外發(fā)布，雖然分站范圍內(nèi)有較強(qiáng)的測(cè)控功能，但分站之間測(cè)控功能很弱，難以實(shí)現(xiàn)跨分站測(cè)控單元的互聯(lián)互控[1-3]。對(duì)于煤礦安全測(cè)控而言，由于生產(chǎn)采區(qū)是面域，超限瓦斯流動(dòng)路線更要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的流動(dòng)路線，也要跨過(guò)較大的區(qū)域。特別是煤礦發(fā)生災(zāi)變時(shí)期，譬如礦井火災(zāi)、煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等等往往導(dǎo)致風(fēng)流逆轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致平時(shí)不相關(guān)的區(qū)域也產(chǎn)生密切聯(lián)系，某地點(diǎn)瓦斯爆炸造成其他地點(diǎn)人員大量窒息的事故時(shí)有發(fā)生[4-6]。因此，將安全監(jiān)控系統(tǒng)中所有測(cè)控單元構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中任意測(cè)控單元間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互控，并且可以任意規(guī)劃控制關(guān)系的預(yù)案，是目前較為理想的監(jiān)控模式。這樣當(dāng)災(zāi)害或隱患發(fā)生時(shí)可以根據(jù)預(yù)案及時(shí)進(jìn)行處理，從而避免事故災(zāi)害。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的ZigBee 通信技術(shù)是在低傳輸數(shù)據(jù)速率下實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備之間無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的技術(shù)，特別適合應(yīng)用于井下復(fù)雜的監(jiān)控環(huán)境[7-9]。因此，本文提出由ZigBee 技術(shù)構(gòu)建出成本低、協(xié)議簡(jiǎn)單、組網(wǎng)方便、可擴(kuò)展性好、能進(jìn)行人員定位的井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)聯(lián)網(wǎng)層面上實(shí)現(xiàn)各種測(cè)控單元的互聯(lián)互控設(shè)置并進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)管，當(dāng)隱患或危險(xiǎn)事故發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到并處理，極大提高了煤礦安全生產(chǎn)等級(jí)。

1 整體構(gòu)架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在保留地面有線監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)其井下的數(shù)據(jù)采集、傳輸及控制部分進(jìn)行改造，具體方案將ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸代替原有井下監(jiān)控系統(tǒng)分站至傳感器之間的有線傳輸。煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 整體構(gòu)架設(shè)計(jì)

將各ZigBee 節(jié)點(diǎn)按要求布置在井下巷道中，形成無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)。將大量ZigBee 傳感器節(jié)點(diǎn)部署在井下重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，所有的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)呈簇型網(wǎng)絡(luò)分布。系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)分為2種，一種用于人員定位的終端節(jié)點(diǎn)，傳感數(shù)據(jù)只用于現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警和作為傳感器報(bào)警標(biāo)志位的狀態(tài)依據(jù)，不上傳至上位機(jī)；另一種用于作業(yè)區(qū)的終端節(jié)點(diǎn)，對(duì)井下各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸，并通過(guò)A/D 采集電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)發(fā)給路由器節(jié)點(diǎn)；再由路由器和協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測(cè)監(jiān)控中心；監(jiān)控主機(jī)根據(jù)超限數(shù)據(jù)對(duì)饋電開(kāi)關(guān)進(jìn)行斷電控制。當(dāng)工作面向前推進(jìn)時(shí)，巷道距離發(fā)生擴(kuò)展或縮減，可以通過(guò)增減ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)或調(diào)整節(jié)點(diǎn)之間距離的方式來(lái)滿足要求。相較于以往井下有線監(jiān)控系統(tǒng)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使井下安全監(jiān)控在監(jiān)測(cè)范圍、靈活性以及可靠性等方面都得到進(jìn)一步提升。

2 礦井安全人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)站網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，煤礦與市局網(wǎng)站間采用無(wú)線通訊，實(shí)際帶寬不應(yīng)小于1 M，每個(gè)網(wǎng)站設(shè)專用服務(wù)器不少于3臺(tái)，其中1臺(tái)用于數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、1臺(tái)用于Web 和CWebGIS 地圖應(yīng)用服務(wù)器，1 臺(tái)用于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。每臺(tái)服務(wù)器4個(gè)CPU，并有足夠的硬盤空間與內(nèi)存及CPU速度。應(yīng)配有可靠的網(wǎng)絡(luò)防火墻和網(wǎng)絡(luò)殺病毒軟件系統(tǒng)。

系統(tǒng)井下各節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)）的無(wú)線收發(fā)模塊采用TI公司的CC2530芯片。各個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件電路基本一致，都擁有相同的無(wú)線通信模塊，屬于同構(gòu)節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中，傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)儲(chǔ)存和處理本身采集的數(shù)據(jù)及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，一般采用嵌入式CPU；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，一般使用低功耗的短距離無(wú)線通訊設(shè)備或模塊；能量供應(yīng)模塊，對(duì)于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)使用固定電源供電，而傳感器節(jié)點(diǎn)通常采用微型電池提供所需能量。

圖2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在整機(jī)低功耗問(wèn)題中，軟件設(shè)計(jì)的作用至關(guān)重要[10]。以人員定位終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)之間的入網(wǎng)流程為例說(shuō)明其設(shè)計(jì)過(guò)程。人員定位終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)工作流程如圖3所示。

圖3 人員定位終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)工作流程圖

人員定位節(jié)點(diǎn)上電后，系統(tǒng)初始化。人員定位系統(tǒng)各終端節(jié)點(diǎn)具有流動(dòng)性，ZigBee 系統(tǒng)會(huì)周期性在一定距離范圍內(nèi)廣播定位數(shù)據(jù)幀，通信范圍內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)在接收到定位數(shù)據(jù)幀后，會(huì)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出自身與定位節(jié)點(diǎn)的距離，并將距離值發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)執(zhí)行高精度的定位算法。開(kāi)始組網(wǎng)時(shí)，ZigBee 路由節(jié)點(diǎn)媒介訪問(wèn)控制（MAC）層的MLME_Scan-Confirm 函數(shù)返回信道檢測(cè)結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（NLME）為新建的網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)合適的信號(hào)傳輸信道，并給該信道分配一個(gè)名為PANId的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，通過(guò)MLME-SET.request 原語(yǔ)將PANId 號(hào)寫入到MAC 層macPANId 的屬性中。建立網(wǎng)絡(luò)成功會(huì)有建網(wǎng)成功的提示信息，否則向應(yīng)用層返回STARTUP-FAILURE建網(wǎng)失敗的信息。終端節(jié)點(diǎn)接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)JZA_bAfMsgObject 函數(shù)逐級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送形式、端點(diǎn)號(hào)、簇號(hào)的判斷，并對(duì)數(shù)據(jù)分類進(jìn)行上傳。在實(shí)際應(yīng)用中，路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)的休眠可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行合理設(shè)定。

軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件、地理信息系統(tǒng)平臺(tái)軟件和應(yīng)用軟件3 部分組成。其中系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)為WINDOWS 2003 企業(yè)版網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為SQL 2000 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件不屬于應(yīng)用軟件范圍內(nèi)，屬于支持環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)平臺(tái)采用經(jīng)過(guò)國(guó)家鑒定的某公司的CWebGIS 網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)平臺(tái)[11]，與其他應(yīng)用軟件系統(tǒng)一起組成本應(yīng)用軟件系統(tǒng)。應(yīng)用軟件是系統(tǒng)的核心部分，也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，由運(yùn)行在市級(jí)網(wǎng)站服務(wù)器上的應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成，系統(tǒng)全部采用B/S結(jié)構(gòu)。除了煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳軟件外，無(wú)需煤礦工作站安裝任何應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 分站可靠傳輸距離測(cè)試

為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對(duì)煤礦巷道2 個(gè)分站之間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的可靠傳輸距離進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試時(shí)發(fā)射功率為20 dB·m，發(fā)包速率為55 個(gè)/s，測(cè)試距離為40～140 m，主要測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度和丟包率。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖可知，在無(wú)較大干擾源的情況下，140 m距離范圍之內(nèi)，各分站之間的信號(hào)強(qiáng)度并沒(méi)有隨煤礦巷道的傳輸距離增大而減弱，但是傳輸距離從80 m開(kāi)始，出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，并且丟包率隨距離增大有上升趨勢(shì)。因此分站之間的可靠傳輸距離應(yīng)設(shè)置為小于或等于80 m，滿足了系統(tǒng)對(duì)信號(hào)傳輸距離的要求。

圖4 無(wú)線信號(hào)的可靠傳輸距離測(cè)試

3.2 人員定位數(shù)字礦圖功能測(cè)試

煤礦所有信息資源中的80%都與數(shù)字礦圖位置有關(guān)，所以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能夠共享數(shù)字礦圖資源具有重大意義。數(shù)字礦圖是顯示通風(fēng)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布局、區(qū)域斷電跟蹤、撤人跟蹤必不可少的圖形技術(shù)條件。

系統(tǒng)人員定位監(jiān)測(cè)測(cè)試如圖5 所示，人員所在位置以及狀態(tài)，通過(guò)動(dòng)畫方式實(shí)時(shí)顯示在數(shù)字礦圖上，且圖形可放大縮小。為直觀高效率監(jiān)測(cè)監(jiān)管與科學(xué)決策提供了新的技術(shù)手段。

圖5 基于矢量數(shù)字礦圖人員位置的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)動(dòng)畫

3.3 網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)互控關(guān)聯(lián)系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)不僅用于人員定位監(jiān)控，還能監(jiān)測(cè)聯(lián)網(wǎng)區(qū)域斷電設(shè)置與區(qū)域跟蹤及定位。區(qū)域斷電觸發(fā)類型可包括多種類型，如超限、停風(fēng)、微風(fēng)、突出、風(fēng)流反向等等。

為了在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)監(jiān)管系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)煤礦測(cè)控單元的互聯(lián)互控設(shè)置定義，也就是實(shí)現(xiàn)區(qū)域斷電關(guān)聯(lián)定義，系統(tǒng)建立以下3個(gè)子系統(tǒng)環(huán)境。

（1）煤礦數(shù)字礦圖動(dòng)態(tài)編輯系統(tǒng)環(huán)境

數(shù)字礦圖譬如采掘工程圖是建立通風(fēng)系統(tǒng)和劃定安全區(qū)域的基礎(chǔ)，沒(méi)有數(shù)字礦圖的支持不可能劃定區(qū)域斷電區(qū)域。

（2）煤礦通風(fēng)系統(tǒng)圖動(dòng)態(tài)編輯環(huán)境

區(qū)域斷電的區(qū)域范圍就是超限瓦斯或?yàn)?zāi)變氣體可能流經(jīng)的區(qū)域，顯然該區(qū)域的劃分取決于煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)分布情況和災(zāi)變氣體可能流經(jīng)的區(qū)域。其前提是建立通風(fēng)系統(tǒng)并保持動(dòng)態(tài)更新。

（3）煤礦安全測(cè)控單元的網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)互控關(guān)聯(lián)設(shè)置

圖6 區(qū)域斷電測(cè)控單元互聯(lián)互控關(guān)聯(lián)設(shè)置

基于上述2個(gè)子系統(tǒng)和煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的布局，按不同的隱患類型與影響區(qū)域，采用一定的拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可完成測(cè)控單元的網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)互控關(guān)聯(lián)設(shè)置定義。

典型的區(qū)域斷電設(shè)置窗口如圖6 所示。可作為企業(yè)或企業(yè)集團(tuán)通用數(shù)字煤礦信息系統(tǒng)建設(shè)平臺(tái)，譬如地質(zhì)測(cè)量、生產(chǎn)設(shè)計(jì)、機(jī)電設(shè)備管理、生產(chǎn)調(diào)度等各方面，具有十分廣泛的用途。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)互控是當(dāng)今煤礦自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)發(fā)展方向。基于ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)引入煤礦井下人員定位安全監(jiān)控，構(gòu)建以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心的井下全方位、實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可在采掘工程矢量圖上實(shí)地真實(shí)位置顯示，圖形可放大縮小，不僅能夠顯示整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，而且能夠得到相互關(guān)系。當(dāng)隱患或危險(xiǎn)事故發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到并及時(shí)處理，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義，從而為直觀高效率監(jiān)測(cè)監(jiān)管與科學(xué)決策提供了新的技術(shù)手段。