ZigBee在煤礦井下人員定位中的設計應用

寧傳文

（淮河能源煤業公司，安徽淮南 232091）

0 引言

目前中國煤礦井下監測監控系統基本上都是基于點的測控系統，該模式特點是基于主機和分站（點）的監測模式，所有測點數據除本地測控外，傳回主機由主機對外發布，雖然分站范圍內有較強的測控功能，但分站之間測控功能很弱，難以實現跨分站測控單元的互聯互控[1-3]。對于煤礦安全測控而言，由于生產采區是面域，超限瓦斯流動路線更要經過較長的流動路線，也要跨過較大的區域。特別是煤礦發生災變時期，譬如礦井火災、煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等等往往導致風流逆轉和轉向，導致平時不相關的區域也產生密切聯系，某地點瓦斯爆炸造成其他地點人員大量窒息的事故時有發生[4-6]。因此，將安全監控系統中所有測控單元構成網絡，系統中任意測控單元間實現互聯互控，并且可以任意規劃控制關系的預案，是目前較為理想的監控模式。這樣當災害或隱患發生時可以根據預案及時進行處理，從而避免事故災害。

無線網絡技術中的ZigBee 通信技術是在低傳輸數據速率下實現電子設備之間無線網絡通信的技術，特別適合應用于井下復雜的監控環境[7-9]。因此，本文提出由ZigBee 技術構建出成本低、協議簡單、組網方便、可擴展性好、能進行人員定位的井下監測系統，在遠程監測聯網層面上實現各種測控單元的互聯互控設置并進行監測監管，當隱患或危險事故發生時能夠及時監測到并處理，極大提高了煤礦安全生產等級。

1 整體構架設計

系統在保留地面有線監控系統基礎上，對其井下的數據采集、傳輸及控制部分進行改造，具體方案將ZigBee 無線網絡傳輸代替原有井下監控系統分站至傳感器之間的有線傳輸。煤礦安全監測系統的整體構架設計如圖1所示。

圖1 整體構架設計

將各ZigBee 節點按要求布置在井下巷道中，形成無線傳輸網絡。將大量ZigBee 傳感器節點部署在井下重點監測區域，所有的監控節點呈簇型網絡分布。系統的終端節點分為2種，一種用于人員定位的終端節點，傳感數據只用于現場聲光報警和作為傳感器報警標志位的狀態依據，不上傳至上位機；另一種用于作業區的終端節點，對井下各項數據進行采集、傳輸，并通過A/D 采集電路進行模數轉換，轉發給路由器節點；再由路由器和協調器將數據發送給監測監控中心；監控主機根據超限數據對饋電開關進行斷電控制。當工作面向前推進時，巷道距離發生擴展或縮減，可以通過增減ZigBee無線網絡終端節點或調整節點之間距離的方式來滿足要求。相較于以往井下有線監控系統，無線網絡系統使井下安全監控在監測范圍、靈活性以及可靠性等方面都得到進一步提升。

2 礦井安全人員定位系統設計

2.1 硬件平臺設計

系統運行的網站網絡環境為局域網網絡環境，煤礦與市局網站間采用無線通訊，實際帶寬不應小于1 M，每個網站設專用服務器不少于3臺，其中1臺用于數據采集服務器、1臺用于Web 和CWebGIS 地圖應用服務器，1 臺用于數據庫服務器。每臺服務器4個CPU，并有足夠的硬盤空間與內存及CPU速度。應配有可靠的網絡防火墻和網絡殺病毒軟件系統。

系統井下各節點（協調器節點、路由器節點、終端節點）的無線收發模塊采用TI公司的CC2530芯片。各個節點的硬件電路基本一致，都擁有相同的無線通信模塊，屬于同構節點，其結構框圖如圖2所示。其中，傳感器模塊負責監測區域內的數據采集和轉換；處理器模塊負責儲存和處理本身采集的數據及其他節點發送來的數據，一般采用嵌入式CPU；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，一般使用低功耗的短距離無線通訊設備或模塊；能量供應模塊，對于協調器節點和路由器節點使用固定電源供電，而傳感器節點通常采用微型電池提供所需能量。

圖2 無線網絡硬件節點結構框圖

2.2 軟件設計

在整機低功耗問題中，軟件設計的作用至關重要[10]。以人員定位終端節點與路由節點之間的入網流程為例說明其設計過程。人員定位終端節點入網工作流程如圖3所示。

圖3 人員定位終端節點入網工作流程圖

人員定位節點上電后，系統初始化。人員定位系統各終端節點具有流動性，ZigBee 系統會周期性在一定距離范圍內廣播定位數據幀，通信范圍內的路由節點在接收到定位數據幀后，會根據接收信號強度計算出自身與定位節點的距離，并將距離值發送到上位機，由上位機執行高精度的定位算法。開始組網時，ZigBee 路由節點媒介訪問控制（MAC）層的MLME_Scan-Confirm 函數返回信道檢測結果，網絡層管理實體（NLME）為新建的網絡選擇一個合適的信號傳輸信道，并給該信道分配一個名為PANId的網絡號，通過MLME-SET.request 原語將PANId 號寫入到MAC 層macPANId 的屬性中。建立網絡成功會有建網成功的提示信息，否則向應用層返回STARTUP-FAILURE建網失敗的信息。終端節點接收到網絡數據時，通過JZA_bAfMsgObject 函數逐級進行數據發送形式、端點號、簇號的判斷，并對數據分類進行上傳。在實際應用中，路由節點、終端節點的休眠可以根據實際需要進行合理設定。

軟件系統由系統軟件、地理信息系統平臺軟件和應用軟件3 部分組成。其中系統軟件操作系統為WINDOWS 2003 企業版網絡操作系統，數據庫系統為SQL 2000 網絡數據庫系統。系統軟件不屬于應用軟件范圍內，屬于支持環境。網絡地理信息系統平臺采用經過國家鑒定的某公司的CWebGIS 網絡地理信息系統平臺[11]，與其他應用軟件系統一起組成本應用軟件系統。應用軟件是系統的核心部分，也是整個系統的核心部分，由運行在市級網站服務器上的應用軟件系統組成，系統全部采用B/S結構。除了煤礦監測系統數據上傳軟件外，無需煤礦工作站安裝任何應用軟件系統。

3 系統測試

3.1 分站可靠傳輸距離測試

為保證系統的正常運行，對煤礦巷道2 個分站之間的無線網絡通信的可靠傳輸距離進行測試。系統測試時發射功率為20 dB·m，發包速率為55 個/s，測試距離為40～140 m，主要測試信號強度和丟包率。測試結果如圖4所示。由圖可知，在無較大干擾源的情況下，140 m距離范圍之內，各分站之間的信號強度并沒有隨煤礦巷道的傳輸距離增大而減弱，但是傳輸距離從80 m開始，出現丟包現象，并且丟包率隨距離增大有上升趨勢。因此分站之間的可靠傳輸距離應設置為小于或等于80 m，滿足了系統對信號傳輸距離的要求。

圖4 無線信號的可靠傳輸距離測試

3.2 人員定位數字礦圖功能測試

煤礦所有信息資源中的80%都與數字礦圖位置有關，所以在網絡環境下能夠共享數字礦圖資源具有重大意義。數字礦圖是顯示通風系統、監測系統布局、區域斷電跟蹤、撤人跟蹤必不可少的圖形技術條件。

系統人員定位監測測試如圖5 所示，人員所在位置以及狀態，通過動畫方式實時顯示在數字礦圖上，且圖形可放大縮小。為直觀高效率監測監管與科學決策提供了新的技術手段。

圖5 基于矢量數字礦圖人員位置的自動化監測動畫

3.3 網絡化互聯互控關聯系統測試

系統不僅用于人員定位監控，還能監測聯網區域斷電設置與區域跟蹤及定位。區域斷電觸發類型可包括多種類型，如超限、停風、微風、突出、風流反向等等。

為了在遠程網絡監測監管系統中實現煤礦測控單元的互聯互控設置定義，也就是實現區域斷電關聯定義，系統建立以下3個子系統環境。

（1）煤礦數字礦圖動態編輯系統環境

數字礦圖譬如采掘工程圖是建立通風系統和劃定安全區域的基礎，沒有數字礦圖的支持不可能劃定區域斷電區域。

（2）煤礦通風系統圖動態編輯環境

區域斷電的區域范圍就是超限瓦斯或災變氣體可能流經的區域，顯然該區域的劃分取決于煤礦井下通風系統分布情況和災變氣體可能流經的區域。其前提是建立通風系統并保持動態更新。

（3）煤礦安全測控單元的網絡化互聯互控關聯設置

圖6 區域斷電測控單元互聯互控關聯設置

基于上述2個子系統和煤礦監測監控系統的布局，按不同的隱患類型與影響區域，采用一定的拓撲數據結構可完成測控單元的網絡化互聯互控關聯設置定義。

典型的區域斷電設置窗口如圖6 所示。可作為企業或企業集團通用數字煤礦信息系統建設平臺，譬如地質測量、生產設計、機電設備管理、生產調度等各方面，具有十分廣泛的用途。

4 結束語

現場總線網絡化互聯互控是當今煤礦自動測控系統發展方向。基于ZigBee 無線網絡傳感技術引入煤礦井下人員定位安全監控，構建以無線傳感器網絡為核心的井下全方位、實時環境監測系統。該系統實現了可在采掘工程矢量圖上實地真實位置顯示，圖形可放大縮小，不僅能夠顯示整個系統運行狀態，而且能夠得到相互關系。當隱患或危險事故發生時能夠及時監測到并及時處理，對煤礦安全生產具有十分重要的意義，從而為直觀高效率監測監管與科學決策提供了新的技術手段。