基于ZigBee的礦井安全管理系統(tǒng)設計

建設現(xiàn)代化本質安全型礦井，安全管理是最為重要的一個環(huán)節(jié)，“安全第一，預防為主”是的安全生產(chǎn)建設的工作準則。對煤礦井下人員進行實時跟蹤和定位，可以消除人為安全隱患，在事故發(fā)生時，還可以為搶險救災提供決策依據(jù)；對井下環(huán)境條件的實時監(jiān)測監(jiān)控可以及時動態(tài)掌握井下作業(yè)人員的作業(yè)環(huán)境情況，預防作業(yè)環(huán)境的惡化。

傳統(tǒng)的礦用井下監(jiān)測多采用有線方式傳輸信號，繁雜的布線給電源供給、信號傳輸和管理維護造成了極大的不便。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點容量大，各傳感器終端節(jié)點能夠協(xié)作地實施監(jiān)測、感知和采集環(huán)境信息，安裝方便，管理簡單，可以實現(xiàn)井下安全監(jiān)測的無縫覆蓋，還可以跟隨采掘面同步延伸，減少了布線難度，降低了成本，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性。

1.ZigBee技術

1.1 ZigBee技術簡介

ZigBee射頻通信技術以IEEE 802.15.4標準為基礎，工作在2.4 GHzISM頻段，傳輸速率為10-250kb/s，傳輸距離可達10-75m。ZigBee以省電、可靠、低成本、大容量等諸多優(yōu)勢，在無線通信領域得到了廣泛的應用。本系統(tǒng)采用的CC2430芯片是TI公司推出的基于2.4GHz ZigBee技術的產(chǎn)品，其內(nèi)部集成了完整的ZigBee功能和超工業(yè)標準8051內(nèi)核，可在內(nèi)部運行Z-Stack軟件中的ZigBee-2006協(xié)議棧。

1.2 ZigBee技術的主要特點

ZigBee技術在井下安全管理應用中的優(yōu)勢在于以下三個方面：

(1)網(wǎng)絡容量大

ZigBee技術可以采用星狀、片狀和網(wǎng)絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可以管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可以由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)絡。大容量性允許在有限的井下空間布置較多的傳感器節(jié)點，并分層管理，保證數(shù)據(jù)采樣的豐富和管理的有效。

(2)具有自組織能力

煤礦井下受地質條件的影響，通常情況下傳感器節(jié)點需要被放置在沒有基礎設施的地方，這就要求傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自動配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。

(3)適用于低速率、小數(shù)據(jù)量傳輸

井下安全管理所需傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)量較小，主要是終端傳感器節(jié)點的狀態(tài)信息，同時對傳輸速率要求不高，適合ZigBee網(wǎng)絡的典型應用。

(4)可實現(xiàn)動態(tài)組網(wǎng)

煤礦井下環(huán)境變化較多，由于片幫或電源影響，傳感器節(jié)點可能出現(xiàn)故障或失效，隨著巷道的掘進，新的傳感器節(jié)點會加入等，都會造成網(wǎng)絡拓撲的改變或網(wǎng)絡組織的變化。ZigBee網(wǎng)絡具有動態(tài)組網(wǎng)的功能，可以即時實現(xiàn)組網(wǎng)，避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛唷?/p>

2.系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)分為井上監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺和井下無線通訊網(wǎng)絡兩部分。

井上部分通過CAN總線實現(xiàn)對井下數(shù)據(jù)的收集、管理、分類和分析。實時采集傳感器終端節(jié)點的信息，包括人員定位點、瓦斯?jié)舛取囟取穸鹊龋粚Σ杉降臄?shù)據(jù)進行分類、存儲，計算井下人員路徑，分析工作環(huán)境是否良好，供管理人員進行讀取。

井下無線通訊網(wǎng)絡的組成主要由移動終端節(jié)點、固定網(wǎng)關關節(jié)點組成，各組成部分主要性能如下：

(1)移動終端節(jié)點：下井人員隨身攜帶的無線標志卡，記錄下井人員的個人信息，包括個人身份ID、位置信息等，接收中斷信號后發(fā)射一定頻率的射頻信號給管理節(jié)點。

(2)固定網(wǎng)關節(jié)點：實現(xiàn)對標識卡上數(shù)據(jù)的采集，同時有瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎瑴貪穸葌鞲衅髂K，實時監(jiān)測周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)。同時也是ZigBee網(wǎng)絡的發(fā)起者和維護管理者，固定節(jié)點之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互發(fā)送接收，通過CAN總線和井上管理平臺進行連接，將數(shù)據(jù)轉發(fā)至監(jiān)控中心。

圖1 傳感器節(jié)點原理圖

3.網(wǎng)絡傳感器節(jié)點硬件設計

ZigBee終端節(jié)點主要由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及無線通信模塊及必要的外圍電路組成。傳感器節(jié)點的原理圖如圖1所示。

3.1 各節(jié)點模塊設計

下井人員隨身攜帶的無線標識卡主要記錄井下人員的個人信息，如身份ID、路徑信息等，僅需最基本的處理器芯片配外圍電路即可實現(xiàn)；固定管理節(jié)點承擔采集移動終端節(jié)點信號及溫濕度、瓦斯傳感器信號的任務，因此工作任務量較大，比移動節(jié)點多出傳感器模塊，采用固定安裝，由低壓信號電源和電池備用電源供電，負責井上與井下的數(shù)據(jù)通信，通過有線和無線兩種方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給信息處理平臺，同時承載其他網(wǎng)關節(jié)點的數(shù)據(jù)信息轉發(fā)。

3.2 處理器芯片

網(wǎng)絡節(jié)點處理器芯片采用CC2430，該芯片是TI公司推出的基于2.4GHz ZigBee技術的產(chǎn)品，片上集成了CC2420射頻模塊以和增強工業(yè)標準的8051MCU，內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧，可方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、通訊和處理。

3.3 CAN總線

為了更好的解決井上信息處理中心與井下無線基站之間的數(shù)據(jù)傳輸通道問題。本設計采用CAN總線方式。CAN采用了新技術及獨特的設計，具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN的雙向通信彌補了傳統(tǒng)半雙工通信的缺陷，不僅能夠實現(xiàn)位置信息的上傳，當需要時還可以實時修改井下某監(jiān)控接點信息。

圖3 網(wǎng)關節(jié)點工作流程

4.軟件設計

4.1 ZigBee網(wǎng)絡組網(wǎng)

根據(jù)現(xiàn)場實際需要，沿巷道每隔一定距離在巷道頂部設置一個基站，同時在其他需要定位和網(wǎng)絡連接的地方，也安置一個基站；為了避免井下環(huán)境對無線信號的干擾，所有節(jié)點均使用抗干擾的直序擴頻通信方式。

在軟件設計方面，終端節(jié)點在進行通信前，要進行有效的初始化，在初始化過程中，網(wǎng)絡協(xié)調器發(fā)出主動請求連接移動節(jié)點的信令，在移動節(jié)點成功接收和驗證一個數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀后，向網(wǎng)絡協(xié)調器返回確認幀，移動節(jié)點的ZigBee模塊處于休眠狀態(tài)。初始化結束后，節(jié)點處于從工作模式，等待上級節(jié)點的中斷激活。網(wǎng)關節(jié)點初始化后對整個網(wǎng)絡進行地址分配等系統(tǒng)配置，配置完成等待CAN總線的數(shù)據(jù)中斷，并實時的將采集到的數(shù)據(jù)進行上傳。移動終端節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點的工作流程如圖2和圖3所示。

4.2 井上控制中心管理系統(tǒng)設計

控制中心是整個系統(tǒng)的管理中心，對網(wǎng)關節(jié)點所抄集上來的數(shù)據(jù)進行記錄、存儲、處理等。這個部分主要的設計是人機界面設計和數(shù)據(jù)庫的建立，管理者可以方便快捷的進行數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)監(jiān)測、指令下達等管理。控制中心可以通過Internet網(wǎng)絡或GPRS、3G網(wǎng)絡等與外網(wǎng)相連接。實時監(jiān)控系統(tǒng)是整個智能化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎，控制中心的計算機通過CAN接口標準與井下的固定監(jiān)控點進行數(shù)據(jù)傳輸。

監(jiān)控系統(tǒng)功能主要為：完成監(jiān)控點的信息采集、實時處理和存儲。從井下上傳的信息不但包括各類有害氣體的濃度數(shù)據(jù)，還包括井下工作人員和設備的位置信息，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后都被保存在數(shù)據(jù)庫中，信息處理平臺主要負責各網(wǎng)絡傳輸節(jié)點所發(fā)信息的存儲，并能對信息進行分析處理和顯示，將信息以網(wǎng)絡形式供其它有權限的成員查閱。

5.結束語

將ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡應用于礦井安全管理系統(tǒng)，可以對井下作業(yè)人員和其工作環(huán)境的實時監(jiān)測監(jiān)控，避免了繁雜的布線問題和維護困難，提升礦山企業(yè)的數(shù)字化安全管理水平，有利于現(xiàn)代化本質安全型礦井的建設，應用前景廣闊。

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