Zigbee無線傳感集成的煤礦綜合監(jiān)測設計

我國作為世界產煤大國，煤礦產量占世界35％。但我國同時也是礦難大國，因礦難的死亡人數(shù)竟占世界的80％，煤礦百萬噸死亡率是美國的100倍、南非的30倍。這其中大多是因為瓦斯爆炸引起的，嚴重威脅著礦工的生命安全。因此煤礦都需要建立完善的自動監(jiān)測、預警系統(tǒng)，對礦井中的瓦斯、一氧化碳等易燃易爆氣體含量以及溫度、濕度等重要參數(shù)及時掌握，保證工作環(huán)境的安全。

　　目前傳統(tǒng)的管理方式基本都是靠工作人員實地觀測并通過對講機等通訊設施，人工向監(jiān)控中心匯報情況，安全性和實時性都較差，還可能造成無法發(fā)現(xiàn)、漏報、遲報等危險。因此基于各種網(wǎng)絡的自動監(jiān)測系統(tǒng)成為了煤礦安全生產發(fā)展的方向。

　　國內目前在礦區(qū)使用的較成熟的監(jiān)測系統(tǒng)，大多采用有線方式，如KJF2000、KJ4／KJ2000等系統(tǒng)。但有線系統(tǒng)存在著布線麻煩、設備無法隨意移動、難以進行人員跟蹤定位等缺點。因此基于無線傳感網(wǎng)絡的無線監(jiān)測系統(tǒng)成為了目前研究和應用的重點，但這些系統(tǒng)大多處于研究階段，相關現(xiàn)場設備大多是自主研發(fā)的樣機，可靠性和實用性不高，而且往往功能單一。

　　本文通過對成熟的無線傳感網(wǎng)絡設備和各種現(xiàn)場傳感器的集成應用，實現(xiàn)對煤礦作業(yè)現(xiàn)場的溫濕度、瓦斯?jié)舛纫约叭藛T定位等重要信息的實時監(jiān)測，具有系統(tǒng)開發(fā)難度低、可靠性高、功能全面等特點。

　　1 無線傳感網(wǎng)絡及設備

　　隨著計算機、通信和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡應運而生。工業(yè)無線網(wǎng)絡是從新興的無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展而來的，具有低成本、低功耗、高度靈活性、擴展性強等特點，已經成為繼現(xiàn)場總線技術后的又一個研究熱點，文獻對于工業(yè)無線網(wǎng)絡的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了研究和對比?？紤]到Zigbee技術應用的廣泛性和成熟性，因此該項目采用Disi公司基于Zigbee協(xié)議的工業(yè)用ConnectPort X網(wǎng)關及XBee ZB適配器產品。

　　1．1 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡通信協(xié)議

　　Zigbee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本的雙向無線通信技術，由IEEE 802．15．4和Zigbee聯(lián)盟共同制定。Zi gbee技術廣泛應用于各種短距低速的場合，如醫(yī)療護理、汽車自動化、農業(yè)自動化和遙測遙控等。Zigbee的網(wǎng)絡設備通常分為三類：中心協(xié)調器（PAN Coordinatox）、路由器（Router）和終端節(jié)點（End Device）。其中前兩類具有路由功能，可組成全Mesh網(wǎng)絡拓撲結構。而終端節(jié)點不具有路由功能，只能與中心協(xié)調器或路由器單跳連接，組成星型網(wǎng)絡。終端節(jié)點的優(yōu)勢是可以進入休眠模式，以降低功耗。由這三類設備可組成各種不同的網(wǎng)絡拓撲結構，如圖1所示。

　　作為全球Zigbee和數(shù)傳領域的領跑者，美國Digi公司擁有完整的Zigbee產品和解決方案。其中加強型Zigbee系列（XBee Pro）室外可視距離達到1．6 km，最大傳輸速率250 kbps，支持最新的Zigbee Pro協(xié)議，參數(shù)可配置，可組成任意網(wǎng)絡拓撲結構，具有網(wǎng)絡安全加密、路由／終端節(jié)點自動加入網(wǎng)絡、信道跳頻等特點。并且作為工業(yè)級產品，具有較高的可靠性和工業(yè)應用價值。

　　1．2 ConnectPort X網(wǎng)關

　　ConnectPort X網(wǎng)關為無線XBee網(wǎng)絡上的終端設備提供IP網(wǎng)絡連接。網(wǎng)關采集終端節(jié)點數(shù)據(jù)，處理后通過以太網(wǎng)、Wifi或無線蜂窩連接發(fā)送到上級應用?？蛇x多種配置。同時內置Python開發(fā)環(huán)境，使用戶可以在網(wǎng)關中實現(xiàn)應用的定制，支持不同應用。

　　ConnectPort X網(wǎng)關具有連接狀態(tài)及信號強度等指示，采用4”全向天線，通過10／100Mbps自適應RJ-45以太網(wǎng)端口實現(xiàn)與上級計算機的連接。采用工業(yè)金屬外殼設計，6～30VDC輸入電壓，安全性和電磁兼容性／抗擾度達到國際標準。