ZigBee在煤矿井下救援系统中的应用

Bee
　　
ZigBee是一种采用成熟无线通讯技术的全球统一标准的开放的无线传感器网络。它以IEEE 802.15.4协议为基础，使182 2006.24计算机工程与应用用全球免费频段进行通讯，能够在三个不同的频段上通讯。全球通用的频段是2.400GHz-2.484GHz,欧洲采用的频段是868.0 MHz -868.6 6MHz美国采用的频段是902MHz -928MHz传输速率分别为250kbps 20kbps和40kbps通讯距离的理论值为10m- 75m。

ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成木，由于采用较低的数据传输率，较低的工作频段和容量更小的Stack并且将设备的ZigBee模块在未使用的情况下进入休眠状态从整体上降低其功耗。
　　
ZigBee体系结构如图2所示。其中物理层、介质访问层和数据链路层基于IEEE802.15.4无线个人局域网(WPAN)标准协议;ZigBee在 IEEE802.15.4标准基础之上建立网络层和应用支持层，包括巨大数量节点的处理最大节点数可以达到65000[3]个)、ZigBee设备对象、用户定义的应用轮廓以及应用支持层等。应用层则由用户根据需要进行开发。


　　
3 基于ZigBee技术的井下人员定位
　　
结合煤矿井下生产作业的特殊性和要求，采用基于Z igBee的无线传感器网络技术实现巷道内人员定位。通过基于ZigBee的无线自组网络将人员位置参数实时地传输到煤矿井下救援系统，能够进行实时监测，并在危险情况下及时报警并及时通知井下作业人员;事故发生后，可以辅助快速制定救援方案，减少人员的伤亡。
　　
3.1硬件环境
　　
实现基于无线定位技术的井下人员定位，需要使用高性能的微型计算机，并且采用双显示器和双硬盘，CPU主频不低于26GH z内存不小于512M，硬盘不小于120G，显示器不低于19英寸，图形显示卡显存不低于256M并且支持双屏幕显示以及CD-RW或磁带机，也可以采用专业图形工作站(要求双显示器和双硬盘)。飞思卡尔公司的24GHz MC13192射频收发器，数据调制解调器。
　　
3.2软件环境
　　
定位系统在Microsoft Windows 2000 Server操作系统环境下开发，采用的开发工具是VB. net选用MapX5.0和Map info Professional7.5完成系统的G1S部分的开发，后台数据库使用Oracle数据库系统。飞思卡尔公司的MC 13192+GT60开发套件工具。
　　
3.3数据通讯网络的组成
　　
定位系统中的网络主要由ZigBee无线自组网络和以太网Ethernet (IEEE 802.3)有线网络组成。网络可以覆盖整个巷道，前端构建ZigBee网络进行数据的采集和传输，后端由Ethernet构成主要的数据传输骨干通道。
　　
由于井下巷道内对有线的电力供应有严格限制，Z igBee器件由电池供电，一节电池至少能够使用6个月，符合其低功耗的特点。Ethe rne侧络在巷道内的部分也将由高容量的电池驱动，其中的电池管理和更换，应当由专门制定的政策(Policy)来控制和监管，以保证整个系统的正常运行。
　　
为保证ZigBee网络的稳定和可靠性，在长型的巷道中将由数个ZigBee网络所覆盖，每个ZigBee网络覆盖一定的范围(具体覆盖的范围由现场状况决定，约每300m为一个ZigBee子网)。各个ZigBee网络之间可由两种方法进行区分:网络ID和频段(Channel)。
　　
ZigBee网络拓扑结构如图3所示。网络分为井上和井下两个部分，井上部分是煤矿井下救援系统及其相关设备和网络，井下部分是无线传感器网络及其相关设备和网络。


　　
3.4井下人员定位
　　
井下人员定位的过程如下:井下人员佩带系统的ZigBee定位模块，此模块定时发出存在信息，由分布于巷道中的路由节点接收，并根据信号强度判断其位置。井下人员的位置相关信息井路由节点或若干路由节点跳传)传至接入节点，再由接入节点传入以太网，即通过基于ZigBee技术的无线自组网络传输到煤矿井下救援系统，从而达到实时判知人员位置的目的。
　　
井下人员定位系统组成示意图如图4所示。其中的主要组成部件为:


　　
①定位节点:定时发出存在信息，用于携带它的工作人员的定位。
　　
②路由节点:接收定位节点发出的信息，并将此信息路由(跳传)至接入节点。
　　
③接入节点:接受来自路由节点数据，并将其通过以太网络发送至监察系统。接入节点是一个ZigBee组织者，他通过一个以太网关与以太网相连。网关与ZigBee接入节点通过RS232串口进行通讯连接。
　　
下面对图4中定位节点D1,D2和D3的路由路径分别加以说明，D、L、J分别表示定位节点、路由节点和接入节点。
　　
从图4中可以看出D1同时处于L2和L3检测范围之内，但是由于D1被障碍物阻挡不能与L3通讯，而只能与L2通讯，因此其路由路径为:

　　 D1→ L2→ Ll →Jl→以太网
　　 D3同时处于L3和L4检测范围之内，但是由于D3被障碍物阻挡不能与L3通讯，而只能与L4通讯，因此其路由路径为:
　　 D3→ L4→L5→ J2→以太网
　　 D2同时处于L3和L4检测范围之内，并且D2没有被任何障碍物阻挡，因此能与L3和L4同时通讯，路由路径为:
　　 D2→L4→L5→J2→以太网
　　 D2→L3→L2→Ll→Jl→以太网
　　
系统工作时，需要将定位节点附着在井下人员身上，将其位置信息通过ZigBee网络和以太网络送入煤矿井下救援系统，最后借助GIS技术将人员的位置信息在电子地图上实时的标出。在定位过程中，需要实现以下两个关键技术:
　　
(1) ZigBee节点的标识:每个ZigBee节点都有64位的
永久地址，作为其唯一性标识。可以将这个地址映射为对应用层有意义的名字，从而可对每个节点进行身份辩认。
　　
(2)定位判定:移动中的定位节点可由一个ZigBee网络进入另一个ZigBee网络中，由接收到定位节点信号的路由节点决定其位置。位置判断的依据为两个无线信号参数QI (Link Quality Indicator)和SSI (Signal Strength Indicator)，这两个值由路由节点在接收到定位节点的信号后得出。位置判断的精度取决于路由节点分布的密度，需要根据现场实际情况方可决定。