基于ZigBee的礦井安全管理系統設計

建設現代化本質安全型礦井，安全管理是最為重要的一個環節，“安全第一，預防為主”是的安全生產建設的工作準則。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，在事故發生時，還可以為搶險救災提供決策依據；對井下環境條件的實時監測監控可以及時動態掌握井下作業人員的作業環境情況，預防作業環境的惡化。

傳統的礦用井下監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。無線傳感器網絡節點容量大，各傳感器終端節點能夠協作地實施監測、感知和采集環境信息，安裝方便，管理簡單，可以實現井下安全監測的無縫覆蓋，還可以跟隨采掘面同步延伸，減少了布線難度，降低了成本，提高了數據傳輸的安全性和穩定性。

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、大容量等諸多優勢，在無線通信領域得到了廣泛的應用。本系統采用的CC2430芯片是TI公司推出的基于2.4GHz ZigBee技術的產品，其內部集成了完整的ZigBee功能和超工業標準8051內核，可在內部運行Z-Stack軟件中的ZigBee-2006協議棧。

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勢在于以下三個方面：

(1)網絡容量大

ZigBee技術可以采用星狀、片狀和網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可以管理254個子節點；同時主節點還可以由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大網絡。大容量性允許在有限的井下空間布置較多的傳感器節點，并分層管理，保證數據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點需要被放置在沒有基礎設施的地方，這就要求傳感器節點具有自組織能力，能夠自動配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成轉發監測數據的多跳無線網絡系統。

(3)適用于低速率、小數據量傳輸

井下安全管理所需傳輸的是數據量較小，主要是終端傳感器節點的狀態信息，同時對傳輸速率要求不高，適合ZigBee網絡的典型應用。

(4)可實現動態組網

煤礦井下環境變化較多，由于片幫或電源影響，傳感器節點可能出現故障或失效，隨著巷道的掘進，新的傳感器節點會加入等，都會造成網絡拓撲的改變或網絡組織的變化。ZigBee網絡具有動態組網的功能，可以即時實現組網，避免數據傳輸的中斷。

2.系統總體設計

本系統分為井上監控管理系統平臺和井下無線通訊網絡兩部分。

井上部分通過CAN總線實現對井下數據的收集、管理、分類和分析。實時采集傳感器終端節點的信息，包括人員定位點、瓦斯濃度、溫度、濕度等；對采集到的數據進行分類、存儲，計算井下人員路徑，分析工作環境是否良好，供管理人員進行讀取。

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

(1)移動終端節點：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，接收中斷信號后發射一定頻率的射頻信號給管理節點。

(2)固定網關節點：實現對標識卡上數據的采集，同時有瓦斯濃度傳感器，溫濕度傳感器模塊，實時監測周圍環境的數據。同時也是ZigBee網絡的發起者和維護管理者，固定節點之間可以實現數據的相互發送接收，通過CAN總線和井上管理平臺進行連接，將數據轉發至監控中心。

圖1 傳感器節點原理圖

3.網絡傳感器節點硬件設計

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

3.1 各節點模塊設計

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；固定管理節點承擔采集移動終端節點信號及溫濕度、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據通信，通過有線和無線兩種方式將數據發送給信息處理平臺，同時承載其他網關節點的數據信息轉發。

3.2 處理器芯片

網絡節點處理器芯片采用CC2430，該芯片是TI公司推出的基于2.4GHz ZigBee技術的產品，片上集成了CC2420射頻模塊以和增強工業標準的8051MCU，內置了ZigBee協議棧，可方便的實現數據的采集、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據傳輸通道問題。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半雙工通信的缺陷，不僅能夠實現位置信息的上傳，當需要時還可以實時修改井下某監控接點信息。

圖3 網關節點工作流程

4.軟件設計

4.1 ZigBee網絡組網

根據現場實際需要，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絡連接的地方，也安置一個基站；為了避免井下環境對無線信號的干擾，所有節點均使用抗干擾的直序擴頻通信方式。

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

4.2 井上控制中心管理系統設計

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

監控系統功能主要為：完成監控點的信息采集、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據，還包括井下工作人員和設備的位置信息，這些數據經過壓縮后都被保存在數據庫中，信息處理平臺主要負責各網絡傳輸節點所發信息的存儲，并能對信息進行分析處理和顯示，將信息以網絡形式供其它有權限的成員查閱。

5.結束語

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

[1]金純,羅租秋,羅鳳,等.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京:國防工業出版社,2008:14-20.

[2]郭淵博,楊奎武,趙儉.等.ZigBee技術與應用[M].北京:國防工業出版社,2010:3-12.

[3]酈亮.IEEE802.15.4標準及其應用[J].電子設計應用,2003(Z1):26-28.

[4]Bulusu N,Heidemann J,Estrin D.Density adaptive algorithms for beacon placement in wireless sensor networks[J].Phoenix:IEEE ICDCS 2001,April 2001.

[5]孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005:147-165.

[6]金純,何山,徐洪剛,等.基于ZigBee的井下人員定位系統設計[J].電視技術,2011,35(21).