基于Zigbee的礦井網(wǎng)絡(luò)部署

黃今慧 劉洋 薛子育

【摘要】隨著高新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，我國的工業(yè)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(wǎng)絡(luò)部署設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案可以將礦井工作者以及各種設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的“溝通”，更加保障人員的安全，加強(qiáng)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(yōu)勢，基于Zigbee的礦井網(wǎng)絡(luò)部署有很大研究價(jià)值本文重點(diǎn)研究在礦井中基于Zigbee組建無線網(wǎng)絡(luò)部署情況，實(shí)現(xiàn)對礦工方位、生理參數(shù)和礦井環(huán)境的監(jiān)測。讓物聯(lián)網(wǎng)保障我們的工作的安全性，同時(shí)也可以讓人們很好地了解到物聯(lián)網(wǎng)的作用和它為我們生活帶來的便捷之處。

【關(guān)鍵詞】Zigbee;網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò);定位系統(tǒng)

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(jià)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(rèn)識(shí)不足和煤礦本身缺少檢測網(wǎng)絡(luò)，致使礦難頻頻發(fā)生并且救援工作困難。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國平均兩三天就會(huì)發(fā)生一起礦難，平均每天有兩名礦工死于礦難，造成了嚴(yán)重的人員和財(cái)產(chǎn)損失。本文將在礦井下組建一個(gè)基于Zigbee[1]的檢測網(wǎng)絡(luò)，將對礦工的方位，生理參數(shù)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測礦井中的環(huán)境。一方面可以加大安全力度，降低礦難發(fā)生的概率[2]，另一方面Zigbee的準(zhǔn)確定位也可以在礦難發(fā)生后幫助救援人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和拯救遇難礦工。

2.Zigbee介紹

2.1 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)

Zigbee是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)[3]。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。Zigbee具有如下技術(shù)優(yōu)勢[4]：（1）低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長。對礦難發(fā)生后可連續(xù)工作時(shí)間遠(yuǎn)大于搜救時(shí)間。（2）低成本。通過大幅簡化協(xié)議，降低了對通信控制器的要求，每塊芯片的價(jià)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(fā)射功率后，亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。整個(gè)礦場部署基站和Zigbee組件，距離符合要求。（4）短時(shí)延[5]。Zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。（5）高安全。Zigbee提供了三級(jí)安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES 128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

2.2 傳統(tǒng)方式對比

2.2.1 在人數(shù)確定上的準(zhǔn)確性

生命探測儀[6]最嚴(yán)重的問題在于無法確定具體人數(shù)，只能探測生命的跡象存在。這一點(diǎn)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(xiàn)在某一處是很常見的。生命探測儀無法確定具體遇難人數(shù)，則無法確定相應(yīng)的營救措施，遇難人數(shù)密度聚集比較集中的位置，應(yīng)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(shù)，Zigbee可以確切確定遇難具體人數(shù)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(jù)遇難人數(shù)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(yán)峻性，大多數(shù)礦難現(xiàn)場并沒有電源進(jìn)行接入，目前比較先進(jìn)的由美國生產(chǎn)的ZT-2000i音視頻生命探測儀，只能連續(xù)工作3小時(shí)，這一點(diǎn)在礦難救災(zāi)工作中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此對電量的消耗也將成為考察救災(zāi)方法是否得當(dāng)?shù)闹饕颉?/p>

生命探測儀在耗電量上遠(yuǎn)大于Zigbee，Zigbee元器件可以工作數(shù)月不斷電，低消耗Zigbee甚至可以連續(xù)工作1年，工作效能遠(yuǎn)大于生命探測儀。這一點(diǎn)在救援工作當(dāng)中是至關(guān)重要的。

3.Zigbee礦井網(wǎng)絡(luò)部署

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

Zigbee網(wǎng)絡(luò)層支持星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[8]，因?yàn)樗试S通信鏈路存在常用路由和備選路由，避免了由于個(gè)別結(jié)點(diǎn)故障而阻斷了其下級(jí)子網(wǎng)通信出口的問題，保持了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于Zigbee路由信息由各全功能設(shè)備結(jié)點(diǎn)分別存儲(chǔ)和維護(hù)，減小了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的路由管理壓力，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[9]示意圖，在這個(gè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)采集周圍環(huán)境中的溫度、濕度以及瓦斯的濃度，服務(wù)器進(jìn)行接收和計(jì)算，發(fā)生預(yù)警后及時(shí)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(hào)，對礦工身體狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)察，若身體發(fā)生預(yù)警則立刻召回礦工。

圖2 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖

圖3 隨身設(shè)備原理樣機(jī)

4.現(xiàn)階段研究成果

本文將對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。

4.1 隨身設(shè)備

采用TI公司的CC2430的ZigBee芯片[10]，每個(gè)掛件設(shè)備內(nèi)，有一組唯一的標(biāo)識(shí)碼表示自己的身份信息，工作人員進(jìn)入礦井之前必須佩帶如圖3隨身設(shè)備，隨身設(shè)備包含Zigbee組件，SOS警報(bào)器以及照明設(shè)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(tǒng)和供電子系統(tǒng)，工作在高靈敏度狀態(tài)，以便采集隨身設(shè)備發(fā)來的相對較弱的無線信號(hào)。

基站設(shè)備負(fù)責(zé)將收集到的隨身設(shè)備發(fā)出的設(shè)備ID和RSSI值連同自身的ID信息送往后臺(tái)服務(wù)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(hào)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(shè)備與基站的協(xié)同工作

4.3.1 正常狀況下的協(xié)同工作

隨身設(shè)備實(shí)時(shí)發(fā)送礦工位置信息給設(shè)備基站，搭建效果如圖5所示，設(shè)備基站服務(wù)器統(tǒng)計(jì)記錄礦工位置[12]，并根據(jù)探測儀更新礦工身處環(huán)境，遇到不安全因素，可以將礦工召回。后臺(tái)服務(wù)器可以觀測到礦內(nèi)信息，實(shí)時(shí)收集礦內(nèi)瓦斯密度和濕度溫度信息，若遇到瓦斯泄露等情況，可及時(shí)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(fā)射器的信號(hào)和礦內(nèi)檢測器的信號(hào)[13]，遇到不安全因素，后臺(tái)服務(wù)器及時(shí)聯(lián)系相關(guān)救援部門。在此網(wǎng)絡(luò)下，將構(gòu)成檢測，召回，救援等一系列網(wǎng)絡(luò)，確保礦場安全。

4.3.2 救援態(tài)下的協(xié)同工作

若遇到煤礦坍塌，隨身設(shè)備將繼續(xù)發(fā)送遇難人員位置信息給后臺(tái)服務(wù)器，后臺(tái)服務(wù)器將根據(jù)具體位置實(shí)施營救工作。

服務(wù)器可以根據(jù)基站發(fā)來的位置信息收集到遇難者位置和在某位置上遇難者數(shù)量，為救援爭取最合理的人力，調(diào)度最適宜的設(shè)備。礦內(nèi)的探測器也可以繼續(xù)收集礦內(nèi)瓦斯密度以及礦內(nèi)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(dòng)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(jié)

本文提出了一套基于Zigbee的礦井網(wǎng)絡(luò)部署。從礦工攜帶隨身設(shè)備進(jìn)入礦井，Zigbee元器件進(jìn)入工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)發(fā)送遇難者位置和遇難者當(dāng)前狀態(tài)，礦井內(nèi)部設(shè)置傳感器，監(jiān)視礦工工作狀態(tài)和情況，并對環(huán)境信息進(jìn)行傳遞，遇到瓦斯泄露等問題，可以直接將礦工進(jìn)行召回，確保安全。到一旦發(fā)生礦難，服務(wù)器根據(jù)基站發(fā)來的信息統(tǒng)計(jì)遇難者具體位置和某位置遇難者數(shù)量，以及發(fā)送報(bào)告給相關(guān)救援部門及時(shí)實(shí)施營救。本文闡述了從預(yù)防、檢測，到礦難救援的整體網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式。

負(fù)責(zé)人員還可以在服務(wù)器端接收礦工身體情況報(bào)告，根據(jù)員工情況進(jìn)行調(diào)整，并根據(jù)傳感信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，查看礦井內(nèi)情況。更體現(xiàn)了我國工業(yè)化途中的人性化以及合理化。

此方案可行、有一定發(fā)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(lián)網(wǎng)應(yīng)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(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]李小珉，趙志宏，郭志，譚浩.Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實(shí)驗(yàn)[J].電子測量技術(shù)，2007（06）.

[2] Ram G.Lakshmi Narayanan，Oliver C.Ibe.A joint network for disaster recovery and search and rescue operations[J].Computer Networks.2012（14）.

[3]李崢，苗曙光.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井巷道監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（08）.

[4]閔玉峰.Zigbee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J].科技傳播，2012（14）.

[5]齊立磊，王超.基于Zigbee的礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2013（09）：252-254.

[6]孫繼平.煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控與通信技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010（11）.

[7]劉志高，李春文，丁青青，孔繁瑞，武丹琛.煤礦人員定位系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化模型[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010（2）：329-332.

[8]Jian Tang，Guoliang Xue，Weiyi Zhang.Cross-layer optimization for end-to-end rate allocation in multi-radio wireless mesh networks[J].Wireless Networks.2009（1）.

[9]韓忠，王璐，周中闊.基于Zigbee的礦井綜采面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2012（01）.

[10]孫德輝，龔關(guān)飛，楊揚(yáng).基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（13）.

[11]王福豹，史龍，任豐原.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的自身定位系統(tǒng)和算法[J].軟件學(xué)報(bào)，2005（05）.

[12]張治斌，徐小玲，閻連龍.基于Zigbee井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009（01）.

[13]汪玉鳳，段麗華.井下人員定位系統(tǒng)精確定位[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（05）.

[14]詹澤海，劉遙生，陳革維，林玲.基于單片機(jī)與ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012（07）.