淺議煤礦井下應急救援通信系統中ZigBee技術的應用

陳海艦

摘要：基于ZigBee技術的煤礦井下應急救援通信系統為煤礦井下生產環境的安全提供了保障，并能夠做到在礦難發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技術的內涵及其特點，然后詳細介紹了煤礦井下應急救援通信系統中ZigBee技術的應用，以供參考。

關鍵詞：煤礦井下；應急通信系統；ZigBee技術；應用

引言

煤礦井下應急通信系統是綜合了有線通信與無線通信技術，在煤礦井下實現對井下人員和礦車的位置信息的鎖定，以及對井下各項環境參數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，能夠有效的預防災害事故發生。以及在災害發生后，根據現場環境的參數的分析和人員位置的掌握能夠及時快速地實施救援工作，為礦井安全作業提高了安全保障。

1 ZigBee技術概述

Zigbee無線通信技術也叫作紫蜂技術，是根據蜜蜂在向自己的同伴發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技術也被稱作“Home RF”或者“fire Fly”無線電技術。ZigBee是一種可靠的無線數據傳輸網絡，ZigBee的傳播網絡與移動網絡的基站比較像，在無干擾的的理想環境中，其通訊距離可從標準的75m到數百米不等，并且支持無限擴展。

ZigBee技術是一種近距離、低功耗、復雜度低、低速率、低成本的雙向無線通信技術。其工作頻率有868/915/2400MHz，三個頻段上的數據傳輸速率分別為20kbps、40kbps以及250kbps。ZigBee最顯著的技術特點是低功耗，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，還有較低的數據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主要適合于工業控制、傳感和遠程控制領域。ZigBee傳感器節點采用多跳路由實現通信傳輸，數據在節點間通信過程中盡量消耗較少的能量。

2 ZigBee技術在煤礦井下應急救援通信系統中的應用

2.1 ZigBee技術在井下通信分站中的應用

井下通信分站是煤礦井下應急救援通信系統的主要通信環節，一方面負責接收和處理煤礦井下的監控信息，分站與井下ZigBee數據采集節點之間通過無線通信完成數據傳輸，分站作為主機，工作在查詢方式，分站通過控制ZigBee協調器節點發送無線信號對區域節點參數進行檢測，完成對監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控指揮中心通信，主要通過“CAN總線+以太網”相結合的有線通信方式，實現井下數據傳輸到上位機。

通信分站作為煤礦井下應急救援通信系統的核心設備，硬件電路主要包括：存儲器接口電路、電源電路、時鐘電路、CAN轉以太網接口電路、串口電路和ZigBee協調器電路以及JTAG接口電路等。通信分站不僅可以實現不同總線協議間的轉化，提高系統的兼容性。還可以通過井下環境信息的采集，根據數據對井下環境進行檢測。

ZigBee終端節點采集到的環境參數進行處理分析，經無線傳輸到ZigBee協調器，再通過串口通信和STM犯微處理器進行數據交換，最后將信息整合之后經以太網傳輸到上位機。

2.2 ZigBee無線通信終端采集節點方案設計

ZigBee終端設備可以由FFD（全功能設備）或者RFD（精簡功能設備）擔任。由于FFD不僅可以發送數據而且可以接收數據，還有路由的功能。所以終端采集節點采用全功能設備FFD構成。利用FFD的收發功能既可以作為終端環境參數采集節點，也可作為人員定位節點。將巷道環境信息經ZigBee節點傳輸，也可以通過路由器節點采用多跳傳輸將數據發送給協調器節點。也可以接收到人員身上的定位標簽，進而實現人員定位。礦井救援需要采集眾多的環境參數，如甲烷、氧氣，co等氣體含量等。應急救援通信系統的終端節點主要由聲光報警、氣體濃度和人員位置信息采集、電源模塊等構成。終端參數采集節點的示意圖如圖1所示。

由ZigBee模塊組成的終端采集節點，主要實現井下參數實時采集監測和人員定位功能。由于礦井發生災難時首先要保證人員及礦車等的安全，所以要求ZigBee節點具有全功能的設備，完成對人員和礦車的定位要求，那就需要ZigBee終端節點既可以接收數據又可以發送數據。這樣不僅可以實現模塊的集成化，也可以實現功能的多樣化，減少了終端節點的，使整個網絡更穩定。

煤礦井下環境復雜多變，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點作為終端節點的代表，介紹環境參數采集與報警功能。將通信節點加入Zigbee無線網絡。通常情況下，入網節點是處于睡眠狀態，這樣可以降低節點的電量消耗。通過軟件設計使定時器每隔30s切換到喚醒模式，并采集10次環境參數，附近的節點會相對有30秒的采集延時。ZigBee節點才開始工作。甲烷采集程序流程圖如圖2所示。

利用ZigBee技術可以將煤礦井下應急救援系統采集到的甲烷模擬信號轉換為數字信號，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定值則蜂鳴器會報警，并將數據通過無線傳輸至通信分站。當數據傳輸結束以后，節點重新休眠。

結束語

將ZigBee技術應用到煤礦井下應急救援通信系統中，實現了將收集到的ZigBee路由節點的數據進行分析處理后經以太網傳輸到上位機；當上位機需要檢測某一區域的環境參數時，協調器節點就會發送相應的信標，從而喚醒正在體眠的路由器節點實現數據傳輸；通過傳感器來實現環境參數采集，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，經路由節點傳輸到井下通信分站。

參考文獻：

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