基于ZigBee的煤礦安全監控方法研究

楊建林??

摘要：近年來，煤礦安全事故頻發，造成重大人員傷亡和巨大經濟損失。提出了一種輕量級的糅合中間件來實現地下物理傳感器設備的遠程監控自動化。首先，在地下煤礦中布置了基于ZigBee無線傳感器網絡的集群樹，并借助可視化技術，創建了不同地下物理傳感器設備的圖形用戶界面，使得傳感器可以與其他資源輕松結合。實驗證明，基于ZigBee的煤礦安全監控方法能有效地改善采礦業運營的效率，對于提高煤礦整體的開采安全水平，具有重要的意義。

關鍵詞：ZigBee；煤礦安全監控

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.09.093

1引言

地下礦山往往如同迷宮般錯綜復雜，其隧道通常有若干公里長，卻僅有幾米寬。為了完成設計及施工要求，煤礦開采作業人員需要在極端條件下工作。地下煤礦開采是一項高風險的作業，每年因煤礦開采事故而死亡的礦工人數持續上升。因此，為了確保煤礦開采的安全，國內外學者進行了相應的研究。2006年，張玉柱通過GIS技術研究了煤礦安全信息系統構建的需求，并建立了基于GIS的煤礦安全系統模型。2008年，紀謙超分析了煤礦安全監控系統的體系結構與需求，并設計了基于Oracle數據庫的煤礦安全監控系統軟件。同年，崔春香等指出了礦山安全系統中數據采集及表達的關鍵技術，并設計了基于礦山地理信息技術的安全監控系統數據模型。2009年，何帥設計了基于三維建模技術的煤礦井巷模型，并提出了不同存儲格式的礦井巷道數據提取辦法。2010年，孫彥景等提出了煤礦物聯網系統理論，并研制了適用煤炭環境的綜合接入網卡及環網防爆交換機。2012年，喬鋼柱分析了井下無線傳感器網絡路由算法，并設計了基于無線傳感器網絡的煤礦安全綜合監控系統。2014年，劉東以煤礦作業人員定位系統為例，設計了基于物聯網的煤礦安全監控系統。同年，王春玲建立了基于Multi-Agent技術的煤礦安全監控系統，并優化了冗繁數據的處理過程。2015年，焦昊通過搭建WEB平臺，在MyEclipse+MySql的開發環境下，設計了煤礦安全監控信息管理系統。2016年，楊超宇等分析了煤礦安全監控行為識別系統的實際需求，提出了基于視頻的煤礦安全監控行為識別系統的應用解決方案。2017年，汪叢笑指出了目前煤礦安全監控系統中存在的主要問題，并提出了相應的升級改造方案。

然而，地下煤礦主要由隨機通道和分支隧道組成，這種復雜的結構使得配置相應的網絡架構變得非常困難。因此，本文建立了基于ZigBee的煤礦安全監測系統，通過多跳傳輸方法改善了系統對復雜隧道結構的適應能力，有效地彌補了現有地下有線監測系統的不足。

2ZigBee的概述

2.1ZigBee的簡介

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的短距離無線網絡通信技術，具有低功耗、低成本、低速率、短延時、高容量、數據通信可靠性高和免執照頻段的特點。ZigBee設備在室內一般能覆蓋30-50米的作用范圍，在室外空曠地帶如果不加功率模塊覆蓋范圍可以達到400米左右。

ZigBee協議的體系結構包括：物理層（PHY）、介質接入控制子層（MAC）、網絡層（NWK）、應用支持層（APS）、應用程序框架（AF）以及ZigBee設備對象（ZDO），各部分的關系如圖1所示。

2.2ZigBee的拓撲結構

星型網絡、樹狀網絡和網狀網絡是ZigBee網絡的三種主要組網方式。

星型網絡是一個單跳結構的輻射狀系統，網絡中所有的數據及指令的傳輸由中心節點負責，每一個子節點均與中心節點直接相連，并進行雙向通信，其網絡拓撲如圖2所示。一旦子節點數增加，中心節點的工作負荷大大增強，導致丟包和堵塞等網絡問題的發生，故星型網絡不適合大規模的無線傳感網絡。

樹狀網絡是一個由多個星型網絡組成的多跳結構網絡，能覆蓋更大的工作范圍，但其穩定性較差。由圖3可知，樹狀網絡中節點之間只有一條傳輸路徑，一旦發生故障，會導致局部網絡的癱瘓，故樹狀網絡適合穩定環境下的較大規模無線傳感網絡。

網狀網絡中每一個節點均與多個節點相連，通過各自的算法選擇最優的數據傳輸路徑，具有較強的環境適應性，其網絡拓撲如圖4所示。

3基于ZigBee的地下無線傳感網絡布置

煤礦井下無線傳感器網絡的理想拓撲結構不僅需要具有較高的系統可靠性和魯棒性，還能突破礦工效率的局限性。考慮到煤礦環境復雜，本文選擇在井下布置了一個基于ZigBee的無線傳感器網絡，其網絡拓撲如圖5所示。

每個ZigBee路由器及其周邊設備被視為一個相應的集群，集群可以作為一個星形網絡單獨運行。該網絡中監控中心的節點作為協調者，是一個標識符為零的集群頂點。集群頂點不僅可以管理內部的集群節點，還可以通過光纖網絡向監控中心傳輸信息。因此，其通信和功率容量明顯高于電池供電集群。集群節點配備甲烷傳感器，濕度傳感器和其他傳感器。但是，它的計算能力很低，在無線電帶寬和電池容量方面存在很大的局限性。因此，為了傳輸他們感知的數據，遠離集群頂點的集群節點必須選擇合適的路由。

例如，相鄰節點可以將數據逐個傳輸到集群頂點。為了便于部署的組合，初始化網絡中的每個固定節點都應該有一個固定的個人區域網絡標識符（PAN ID），并通過廣播將信標的幀發送到另一個相鄰的設備。然后，接收到信標幀的候選設備可以被應用到集群頂點。如果集群頂點被允許加入網絡，則將子節點放入其鄰居表中，同時設備將集群頂點作為其鄰居表中的父節點，成為網絡的從屬節點。一旦網絡容量達到一定的限制，集群頂點就會將從設備指定為新集群網中的另一個集群頂點，并且可以加入更多的節點。因此，網絡中的所有節點都可以最終加入網絡。

作為網絡中的第一個設備，協調員負責啟動無線網絡。然后，網絡將被構建，網絡層從所有兼容的信道中選擇一個空閑信道，并分配一個新的ID。之后，無線監控狀態開始。上述操作可以用圖6（1）所示的流程圖來說明。對于路由器節點，主要有以下功能：發現網絡，選擇適當的路由器，為網絡的子設備分配地址，傳遞環數據，離開網絡等。工作流程如圖6（2）所示。最后，終端節點可以獲取地下人員的生理信息，并將信息進一步轉換為數據。緊接著，數據被發送到父節點，并且來自父節點的指令可以被反饋。其工作流程如圖6（3）所示。

位置節點是一個移動節點，可以在參考節點所包圍的區域內自由移動。位置節點的坐標可以通過定位算法根據目標節點在目標位置區域的所有RSSI值來計算。如圖7所示，該區域由四個信標節點和一個移動節點組成，其中包含兩個網絡Beacon Node BNi（BN1，BN2，BN3，BN4）和移動節點網絡Ci（C1）。特別地，任何兩個信標節點之間的距離是已知的，并且移動節點可以接收來自至少三個信標節點的廣播分組。在這種情況下，移動節點可以根據接收到的信標廣播分組和附加信息來選擇最強能量信標節點。這里，選擇BN2作為信標網絡中的區域參考節點，并且Dbi（d32，d22，d12）和Dbi（D12，D22，D32）是實際距離和從參考節點到信標的測量距離節點，分別。 C1被附加到信標節點BN2，并且它僅接收用于從節點BN2及其相鄰信標節點BN1和BN3的廣播信息。Ci（C1，C2，C3）為從C1到BN2的距離，BN3為RSSI衰減。為了得到未知節點C1的位置信息，從移動從節點BN2到相鄰信標節點（BN3，BN1）可以計算如下：

從移動節點到信標節點的差異校正因子的距離可以表示為

，其中是從移動從屬節點到相鄰信標節點的差分距離的平均值。移動節點到三個信標節點的距離可以修正為：

根據上述公式，可以計算出修正距離CN1，CN2，CN3。結合三角定位算法，可以得到移動節點的二維坐標信息。

考慮到監控中心與監控節點之間的數據交換，大部分數據從監控節點流向監控中心，然后監控中心發送命令數據至設備。在這個過程中，監控節點之間的數據交換很少。因此，可以基于這些特征的組合來優化路由算法。為了將數據直接沿著群集樹發送到監控中心，需要向上的垂直路由，而向監控中心發送數據到沿著群集樹的節點也需要向下的垂直路由。同時，少量監控節點之間的數據交換需要啟動路由發現和選擇。當網絡層從上層收到數據時，有必要判斷它是否是廣播幀。如果是這樣，根據廣播幀的處理開始處理數據，具體參照ZigBee協議。然后，網絡層決定是否將數據發送到監控中心。如果是這樣，數據將作為下一跳路由直接發送到父節點；若沒有，數據將通過下一個已知的跳轉路由發送。如果節點不具備路由發現能力或者無法執行路由選擇，則仍沿著樹進行路由。如果數據從監控中心發送到監控節點，則需要將數據發送到CAN總線，以便固定節點查看自己的PAN ID。如果是正確的，則垂直向下路由可以沿著群集樹跳轉到目標節點。

4結論與展望

本文構建了基于ZigBee的地下無線傳感器網絡，統一了設備訪問框架，創建了不同地下物理傳感器設備的圖形用戶界面，使得傳感器可以與其他資源輕松結合。實驗證明，基于ZigBee的煤礦安全監控方法能有效地改善采礦業運營的效率，提高煤礦整體的開采安全水平，為地下礦山的決策和實時控制提供了有力的支持。

參考文獻

[1]張玉柱，楊建華.基于GIS的礦山安全信息系統研究[J].煤炭工程，2006，（4）：9395.

[2]紀謙超.基于Oracle數據庫的煤礦安全監控系統軟件設計與實現[D].濟南：山東大學，2008.

[3]崔春香，張新利.礦山地理信息數據模型研究[J].太原理工大學學報，2008，39（3）：281284.

[4]何帥.煤礦井巷工程三維建模及其應用研究[D].沈陽：東北大學，2009.

[5]孫彥景，錢建生.煤礦綜合自動化系統的研究與設計[J].礦業安全與環保，2010，35（3）：47.

[6]喬鋼柱.基于無線傳感器網絡的煤礦安全綜合監控系統設計與關鍵技術研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2012.

[7]劉東.基于物聯網的煤礦安全監測系統設計[D].太原：中北大學，2014.

[8]王春玲.基于Multi-Agent的煤礦安全監控系統研究[D].淮南：安徽理工大學，2014.

[9]焦昊.煤炭安全監控信息管理系統的設計與實現[D].長春：吉林大學，2015.

[10]楊超宇，李策，蘇劍臣，等.基于視頻的煤礦安全監控行為識別系統研究[J].煤炭工程，2016，48 （4）：111113，117.

[11]汪叢笑.煤礦安全監控系統升級改造及關鍵技術研究[J].工礦自動化，2017，43（2）：16.

[12]穆乃剛.ZigBee技術簡介[J].電信技術，2006，（3）：8486.

[13]郭慶.基于ZigBee原理的奶牛定位系統[D].濟南：山東大學，2014.

[14]Tuan Dang， Devic.OCARI： Optimization of communication for Ad hoc reliable industrial networks[c].IEEE International Conference on Industrial Informatics，2008.

[15]蔣挺，趙成林.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006：1257.

[16]彭天笑，繆小紅.基于ZigBee的WPAN構建方案[J].電信工程技術與標準化，2003，（8）：4044.