ZigBee技術在井下安全中的應用

1 前言

近年來，煤礦安全事故一直是大眾關注的焦點，在全國廣泛關注的王家嶺事件之后，智利的礦難給我們上了一堂井下安全教育課。在安全制度和救援機制與技術上，我們遠遠落后于智利。井下安全是一個涉及很多方面的問題，需要煤企管理者的觀念意識的轉變，社會監督、立法等道德法律手段去影響，其中缺少了哪一環，都可能會使安全系統形同虛設。

當然，一個優秀的安全監控系統，也會從基層對于提高井下安全起到一個推動作用：可靠穩定，性價比高，維護成本底，使用方便，會讓安全機制更容易走進煤礦企業。

術業有專攻，為解決這個社會問題，需要社會各界不同的團體來一起努力，社會學家處理社會關系，職權部門立法監督執行，各司其職，作為科技企業，我們則致力于提供技術上的最佳方案。

2 井下安全需要意識也需要技術

井下定位與通信有兩種方案：無源卡與有源卡。前者不需要電池供電，但是讀卡距離短，不具備下行數據傳輸能力；后者需要電池，不僅需要考慮低功耗設計，更要考慮本安防爆，不過更實用的是后一種方案。因為實際應用確實需要長距離的通信，而電池和防爆的問題，都是可以解決的。

ZigBee技術是目前廣泛討論和實施的井下定位和通信技術，相比于其他無線通信技術，2.4 GHz的無線ZigBee技術有很多特點，下面將具體介紹。

2.1 ZigBee技術介紹

ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發現的新食物源的位置、距離和方向等信息，ZigBee技術模仿蜜蜂通過跳舞來傳遞信息的方式，通過相鄰網絡節點之間信息的接力傳遞，將一個信息從一個節點傳輸到遠處的另外一個節點。

ZigBee技術的特點是低成本、低功耗、高數據率，網絡結構優良。

相比于WIFI，ZigBee在技術上更簡單，不需要復雜的上層協議，SoC單芯片解決方案成本低，這也導致了它更省電。

相比于繞射能力更強的低頻段無線通信技術，2.4 GHz的ZigBee有著更準確的信號強度指示，更大的數據通信率。對于通信速率，433 MHz最大100 kb/s的通信速率在一般應用中也夠用了，但是通信速率10倍于433 MHz最大傳輸速率的ZigBee技術(ZICM2410模塊可達1 MHz)將可以承載更多的應用，如體征數據傳輸，環境參數采集以及下行信息控制等。

在井下使用ZigBee技術有以下的好處。

(1)低功耗省電

單個節點的模塊功耗低于100 mW，而且單芯片可實現大部分功能，如圖1所示，ZICM2410模塊，以每隔10 s發送一次定位數據，使用550 mAh(放電量約為500 mAh)的電池可以工作13個月。

(2)易于實現本安防爆

因為需要的工作電壓低，工作電流小，只需要在電池安裝處做防火花處理即可。

(3)有效讀卡范圍遠

圖1所示的計算表，已經是模塊工作在最大通信范圍時的功耗，在此功耗下，外置5 dbi的天線，可實現視距500 m的通信，使用板載天線，寫字樓內通信距離可達到150 m，基站如果采用有線供電，可以使用大功率高接收靈敏度（ZICM2410P2模塊），實現接近300 m的通信距離。具體模塊參數如表1所示。

表1 ZigBee模塊參數

為實現ZigBee設計者的初衷，必須要配合相應的路由協議程序，實現“接力跑形式”的傳遞，參考了ZigBee 2006協議棧和一些Mesh網絡協議，我們推出了精簡型快速的ZLGnet無線路由協議。

相比于標準ZigBee協議棧，ZLGnet具有路由查找速度快，路由策略穩健等特點，使用自帶的配置軟件即可實現路由表的獲取，并可以知道哪個節點的信號強度最弱，這在布設基站時，非常有用。查找路由表界面如圖2所示。

圖2 查看路由表和最差信號質量

2.2 系統網絡拓撲圖

無線定位通信組件是一個ZigBee網絡，這個網絡的基礎架構是分布于巷道內的ZigBee路由中繼節點，由這些節點掛接在有線主干網上，此有線主干網一般為CAN總線，分布的路由節點也是井下的標尺，配合地面監控中心的GIS軟件，中心監測站的技術人員可以確定每個人的位置。系統拓撲圖如圖3所示。

圖3 系統拓撲圖

在巷道中，ZigBee信號的傳輸不能像地面無障礙傳輸一樣，巷道內通信距離要遠遠低于地面視距傳輸距離，中國礦業大學曾對各種頻率的無線電信號在井下的傳輸距離做過詳細的測試，并發表了相關的論文《礦井無線傳輸的特點》，論文指出，巷道拐彎、傾斜以及分支對于2 GHz高頻信號影響是非常大的。因此，全部走無線，不但成本非常高，也不利于實現冗余。可靠的組網方式是采用“CAN(485)有線主干網+無線基站+有源定位卡”的方案。

在布設無線系統時，要在施工前期，做好現場勘查，需要按照無線系統施工的標準作業流程，準備現場平面及三維圖，實測信號衰減參數，撰寫完整的《現場勘查報告》。

3 小結

站在無數煤礦工人的人身安全面前，我們坦誠地說，我們沒有完整成套的井下定位及通信系統，我們有的，僅僅是對于礦工安全的一份關注，一個善意的提議，我們能為礦井安全做些什么嗎？作為一個致力于工業通信的科技企業，我們或多或少承擔著用技術來保障人民生命財產安全的社會責任。

在此呼吁：煤炭行業的工程師，請審慎選擇你們使用的每一個器件和產品，做好各項測試，心中時刻謹記自己在為自己兄弟姐妹們的生命安全在工作，希望無數的嵌入式系統研發企業，能多一點人文關注，攜手提升國內煤礦的安全水平。