基于Zigbee的礦井網絡部署

黃今慧 劉洋 薛子育

【摘要】隨著高新技術的不斷涌現，我國的工業化水平也將更加合理化和人性化。在此背景下，本文提出了一套基于Zigbee的礦井網絡部署設計方案。該設計方案可以將礦井工作者以及各種設備進行互聯，以實現人與設備、設備與設備之間的“溝通”，更加保障人員的安全，加強人與物的定位。由于Zigbee模塊具有省電、體積小、成本低廉等的優勢，基于Zigbee的礦井網絡部署有很大研究價值本文重點研究在礦井中基于Zigbee組建無線網絡部署情況，實現對礦工方位、生理參數和礦井環境的監測。讓物聯網保障我們的工作的安全性，同時也可以讓人們很好地了解到物聯網的作用和它為我們生活帶來的便捷之處。

【關鍵詞】Zigbee;網狀網絡;定位系統

The Network Deployment of Mine Based on Zigbee

College of Computer and Information Engineering，Beijing Technology and Business University ?Jinhui Huang ?Yang Liu ?Ziyu Xue

Abstract：Our country's industrialization level will get more and more rational and flexible with the constantly emerging of the new and high technology.In this background，the thesis proposes a set of mine network deployment design scheme based on Zigbee.The design scheme could achieve that the equipment communicate with people or the equipment by making the interconnections of the mine workers and all kinds of equipment.The scheme could make workers get more safer and can pinpoint the people and things accurately.The mine network deployment based on Zigbee has great research value because the Zigbee module has some advantages such as power saving，small volume，low cost and so on.The thesis focuses on the condition of the wireless network deployment based on Zigbee in mine and the monitor of the miners pinpoint，physiological parameters and mine environment monitoring.The thesis could let people understand that the Internet of things can ensure the safety of work and its effect and the convenience for our life.

Keywords：Zigbee;mesh network;position system

1.研究背景

近年來伴隨著煤炭價格的攀升，我國煤礦開采廠家也在加大開采力度，但是由于對安全認識不足和煤礦本身缺少檢測網絡，致使礦難頻頻發生并且救援工作困難。據有關數據統計，全國平均兩三天就會發生一起礦難，平均每天有兩名礦工死于礦難，造成了嚴重的人員和財產損失。本文將在礦井下組建一個基于Zigbee[1]的檢測網絡，將對礦工的方位，生理參數等信息進行實時統計，并實時監測礦井中的環境。一方面可以加大安全力度，降低礦難發生的概率[2]，另一方面Zigbee的準確定位也可以在礦難發生后幫助救援人員及時發現和拯救遇難礦工。

2.Zigbee介紹

2.1 Zigbee無線網絡

Zigbee是一種短距離、低功耗的無線通信技術[3]。其特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本。Zigbee具有如下技術優勢[4]：（1）低功耗。在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月，甚至更長。對礦難發生后可連續工作時間遠大于搜救時間。（2）低成本。通過大幅簡化協議，降低了對通信控制器的要求，每塊芯片的價格大約為2美元。（3）近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發射功率后，亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。整個礦場部署基站和Zigbee組件，距離符合要求。（4）短時延[5]。Zigbee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。（5）高安全。Zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數據以及采用高級加密標準（AES 128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

2.2 傳統方式對比

2.2.1 在人數確定上的準確性

生命探測儀[6]最嚴重的問題在于無法確定具體人數，只能探測生命的跡象存在。這一點不適用于礦難搜救。由于礦井工作的特殊性，遇難人員集中出現在某一處是很常見的。生命探測儀無法確定具體遇難人數，則無法確定相應的營救措施，遇難人數密度聚集比較集中的位置，應該加大營救力度。

相對于生命探測儀可以體察到生命體征，無法確定具體人數，Zigbee可以確切確定遇難具體人數以及具體位置，可以使救援工作更加合理化和便捷化，可根據遇難人數部署救援力度，可對救援工作帶來極大便利。

2.2.2 在電源供給上的持久性

由于救援工作的嚴峻性，大多數礦難現場并沒有電源進行接入，目前比較先進的由美國生產的ZT-2000i音視頻生命探測儀，只能連續工作3小時，這一點在礦難救災工作中是遠遠不夠的。因此對電量的消耗也將成為考察救災方法是否得當的主要原因。

生命探測儀在耗電量上遠大于Zigbee，Zigbee元器件可以工作數月不斷電，低消耗Zigbee甚至可以連續工作1年，工作效能遠大于生命探測儀。這一點在救援工作當中是至關重要的。

3.Zigbee礦井網絡部署

3.1 網絡拓撲

Zigbee網絡層支持星形、樹形和網狀網拓撲結構[7]。

本文設計的系統選用網狀結構[8]，因為它允許通信鏈路存在常用路由和備選路由，避免了由于個別結點故障而阻斷了其下級子網通信出口的問題，保持了網絡的健壯性。

網狀結構的優點在于Zigbee路由信息由各全功能設備結點分別存儲和維護，減小了網絡協調器的路由管理壓力，網狀結構如圖1所示。

圖1 網絡結構圖

3.2 架構設計

圖2為監測網絡系統[9]示意圖，在這個監測網絡中，有兩種智能傳感器。其中安在道旁的是采集器，主要就是實時采集周圍環境中的溫度、濕度以及瓦斯的濃度，服務器進行接收和計算，發生預警后及時召回工人。礦工隨身攜帶的傳感器主要收集礦工的地理位置和脈搏信號，對礦工身體狀況進行實時監察，若身體發生預警則立刻召回礦工。

圖2 監測網絡系統示意圖

圖3 隨身設備原理樣機

4.現階段研究成果

本文將對關鍵技術進行深入研究。

4.1 隨身設備

采用TI公司的CC2430的ZigBee芯片[10]，每個掛件設備內，有一組唯一的標識碼表示自己的身份信息，工作人員進入礦井之前必須佩帶如圖3隨身設備，隨身設備包含Zigbee組件，SOS警報器以及照明設備[11]。

4.2 定位基站

定位基站采用TI公司的CC2430的ZigBee芯片，將在礦井周圍架立定位基站。定位基站有良好的天線子系統和供電子系統，工作在高靈敏度狀態，以便采集隨身設備發來的相對較弱的無線信號。

基站設備負責將收集到的隨身設備發出的設備ID和RSSI值連同自身的ID信息送往后臺服務器。如圖4是高架式基站示意圖，采用高架式的主要目的是增大接收信號范圍。

圖4 高架式定位基站及基站放大示意圖

圖5 整體搭建效果圖

4.3 隨身設備與基站的協同工作

4.3.1 正常狀況下的協同工作

隨身設備實時發送礦工位置信息給設備基站，搭建效果如圖5所示，設備基站服務器統計記錄礦工位置[12]，并根據探測儀更新礦工身處環境，遇到不安全因素，可以將礦工召回。后臺服務器可以觀測到礦內信息，實時收集礦內瓦斯密度和濕度溫度信息，若遇到瓦斯泄露等情況，可及時召回礦工。

圖5搭建的是完整的效果圖，通過基站收集礦工隨身攜帶發射器的信號和礦內檢測器的信號[13]，遇到不安全因素，后臺服務器及時聯系相關救援部門。在此網絡下，將構成檢測，召回，救援等一系列網絡，確保礦場安全。

4.3.2 救援態下的協同工作

若遇到煤礦坍塌，隨身設備將繼續發送遇難人員位置信息給后臺服務器，后臺服務器將根據具體位置實施營救工作。

服務器可以根據基站發來的位置信息收集到遇難者位置和在某位置上遇難者數量，為救援爭取最合理的人力，調度最適宜的設備。礦內的探測器也可以繼續收集礦內瓦斯密度以及礦內情況，了解遇難者周圍信息，可以提供更合理的救援方式。

遇難者還可以按動自己隨身攜帶的Zigbee組件中的SOS鍵以及燈光輔助營救[14]。

5.總結

本文提出了一套基于Zigbee的礦井網絡部署。從礦工攜帶隨身設備進入礦井，Zigbee元器件進入工作狀態，實時發送遇難者位置和遇難者當前狀態，礦井內部設置傳感器，監視礦工工作狀態和情況，并對環境信息進行傳遞，遇到瓦斯泄露等問題，可以直接將礦工進行召回，確保安全。到一旦發生礦難，服務器根據基站發來的信息統計遇難者具體位置和某位置遇難者數量，以及發送報告給相關救援部門及時實施營救。本文闡述了從預防、檢測，到礦難救援的整體網絡覆蓋方式。

負責人員還可以在服務器端接收礦工身體情況報告，根據員工情況進行調整，并根據傳感信息進行統計，查看礦井內情況。更體現了我國工業化途中的人性化以及合理化。

此方案可行、有一定發展方向，在礦井管理和確保礦工安全上都有一定的作用。對物聯網應用于人類生活以及確保人身安全等方面起到了一定的推動作用。

參考文獻

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