基于ZigBee的礦井安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建設(shè)現(xiàn)代化本質(zhì)安全型礦井，安全管理是最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，“安全第一，預(yù)防為主”是的安全生產(chǎn)建設(shè)的工作準(zhǔn)則。對(duì)煤礦井下人員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和定位，可以消除人為安全隱患，在事故發(fā)生時(shí)，還可以為搶險(xiǎn)救災(zāi)提供決策依據(jù)；對(duì)井下環(huán)境條件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控可以及時(shí)動(dòng)態(tài)掌握井下作業(yè)人員的作業(yè)環(huán)境情況，預(yù)防作業(yè)環(huán)境的惡化。

傳統(tǒng)的礦用井下監(jiān)測(cè)多采用有線方式傳輸信號(hào)，繁雜的布線給電源供給、信號(hào)傳輸和管理維護(hù)造成了極大的不便。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量大，各傳感器終端節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)作地實(shí)施監(jiān)測(cè)、感知和采集環(huán)境信息，安裝方便，管理簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)井下安全監(jiān)測(cè)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(shù)

1.1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee射頻通信技術(shù)以IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，工作在2.4 GHzISM頻段，傳輸速率為10-250kb/s，傳輸距離可達(dá)10-75m。ZigBee以省電、可靠、低成本、大容量等諸多優(yōu)勢(shì)，在無線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(shù)的產(chǎn)品，其內(nèi)部集成了完整的ZigBee功能和超工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核，可在內(nèi)部運(yùn)行Z-Stack軟件中的ZigBee-2006協(xié)議棧。

1.2 ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)在井下安全管理應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)在于以下三個(gè)方面：

(1)網(wǎng)絡(luò)容量大

ZigBee技術(shù)可以采用星狀、片狀和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可以由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)絡(luò)。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(diǎn)，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(zhì)條件的影響，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)需要被放置在沒有基礎(chǔ)設(shè)施的地方，這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動(dòng)配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)的狀態(tài)信息，同時(shí)對(duì)傳輸速率要求不高，適合ZigBee網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用。

(4)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(diǎn)可能出現(xiàn)故障或失效，隨著巷道的掘進(jìn)，新的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)加入等，都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖兓蚓W(wǎng)絡(luò)組織的變化。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，可以即時(shí)實(shí)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(shè)計(jì)

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

井上部分通過CAN總線實(shí)現(xiàn)對(duì)井下數(shù)據(jù)的收集、管理、分類和分析。實(shí)時(shí)采集傳感器終端節(jié)點(diǎn)的信息，包括人員定位點(diǎn)、瓦斯?jié)舛取囟取穸鹊龋粚?duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、存儲(chǔ)，計(jì)算井下人員路徑，分析工作環(huán)境是否良好，供管理人員進(jìn)行讀取。

井下無線通訊網(wǎng)絡(luò)的組成主要由移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)、固定網(wǎng)關(guān)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成，各組成部分主要性能如下：

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

(2)固定網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)識(shí)卡上數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)有瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎瑴貪穸葌鞲衅髂K，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)。同時(shí)也是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者和維護(hù)管理者，固定節(jié)點(diǎn)之間可以實(shí)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(tái)進(jìn)行連接，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)原理圖

3.網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的原理圖如圖1所示。

3.1 各節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

下井人員隨身攜帶的無線標(biāo)識(shí)卡主要記錄井下人員的個(gè)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(shí)現(xiàn)；固定管理節(jié)點(diǎn)承擔(dān)采集移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)信號(hào)及溫濕度、瓦斯傳感器信號(hào)的任務(wù)，因此工作任務(wù)量較大，比移動(dòng)節(jié)點(diǎn)多出傳感器模塊，采用固定安裝，由低壓信號(hào)電源和電池備用電源供電，負(fù)責(zé)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(tái)，同時(shí)承載其他網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 處理器芯片

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(shù)的產(chǎn)品，片上集成了CC2420射頻模塊以和增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU，內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧，可方便的實(shí)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(shè)計(jì)采用CAN總線方式。CAN采用了新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN的雙向通信彌補(bǔ)了傳統(tǒng)半雙工通信的缺陷，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)位置信息的上傳，當(dāng)需要時(shí)還可以實(shí)時(shí)修改井下某監(jiān)控接點(diǎn)信息。

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，沿巷道每隔一定距離在巷道頂部設(shè)置一個(gè)基站，同時(shí)在其他需要定位和網(wǎng)絡(luò)連接的地方，也安置一個(gè)基站；為了避免井下環(huán)境對(duì)無線信號(hào)的干擾，所有節(jié)點(diǎn)均使用抗干擾的直序擴(kuò)頻通信方式。

在軟件設(shè)計(jì)方面，終端節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行通信前，要進(jìn)行有效的初始化，在初始化過程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出主動(dòng)請(qǐng)求連接移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信令，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)成功接收和驗(yàn)證一個(gè)數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀后，向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器返回確認(rèn)幀，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊處于休眠狀態(tài)。初始化結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)處于從工作模式，等待上級(jí)節(jié)點(diǎn)的中斷激活。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)初始化后對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shí)時(shí)的將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)

控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的管理中心，對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)所抄集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)、處理等。這個(gè)部分主要的設(shè)計(jì)是人機(jī)界面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫的建立，管理者可以方便快捷的進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、指令下達(dá)等管理。控制中心可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)或GPRS、3G網(wǎng)絡(luò)等與外網(wǎng)相連接。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)智能化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，控制中心的計(jì)算機(jī)通過CAN接口標(biāo)準(zhǔn)與井下的固定監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

監(jiān)控系統(tǒng)功能主要為：完成監(jiān)控點(diǎn)的信息采集、實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)。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(shè)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(tái)主要負(fù)責(zé)各網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)所發(fā)信息的存儲(chǔ)，并能對(duì)信息進(jìn)行分析處理和顯示，將信息以網(wǎng)絡(luò)形式供其它有權(quán)限的成員查閱。

5.結(jié)束語

將ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于礦井安全管理系統(tǒng)，可以對(duì)井下作業(yè)人員和其工作環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，避免了繁雜的布線問題和維護(hù)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(zhì)安全型礦井的建設(shè)，應(yīng)用前景廣闊。

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