ZigBee技術(shù)在井下安全中的應(yīng)用

2011-03-21 05:12:16廣州致遠(yuǎn)電子有限公司

電子技術(shù)應(yīng)用 2011年5期

1 前言

近年來，煤礦安全事故一直是大眾關(guān)注的焦點(diǎn)，在全國廣泛關(guān)注的王家?guī)X事件之后，智利的礦難給我們上了一堂井下安全教育課。在安全制度和救援機(jī)制與技術(shù)上，我們遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于智利。井下安全是一個(gè)涉及很多方面的問題，需要煤企管理者的觀念意識(shí)的轉(zhuǎn)變，社會(huì)監(jiān)督、立法等道德法律手段去影響，其中缺少了哪一環(huán)，都可能會(huì)使安全系統(tǒng)形同虛設(shè)。

當(dāng)然，一個(gè)優(yōu)秀的安全監(jiān)控系統(tǒng)，也會(huì)從基層對(duì)于提高井下安全起到一個(gè)推動(dòng)作用：可靠穩(wěn)定，性價(jià)比高，維護(hù)成本底，使用方便，會(huì)讓安全機(jī)制更容易走進(jìn)煤礦企業(yè)。

術(shù)業(yè)有專攻，為解決這個(gè)社會(huì)問題，需要社會(huì)各界不同的團(tuán)體來一起努力，社會(huì)學(xué)家處理社會(huì)關(guān)系，職權(quán)部門立法監(jiān)督執(zhí)行，各司其職，作為科技企業(yè)，我們則致力于提供技術(shù)上的最佳方案。

2 井下安全需要意識(shí)也需要技術(shù)

井下定位與通信有兩種方案：無源卡與有源卡。前者不需要電池供電，但是讀卡距離短，不具備下行數(shù)據(jù)傳輸能力；后者需要電池，不僅需要考慮低功耗設(shè)計(jì)，更要考慮本安防爆，不過更實(shí)用的是后一種方案。因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用確實(shí)需要長(zhǎng)距離的通信，而電池和防爆的問題，都是可以解決的。

ZigBee技術(shù)是目前廣泛討論和實(shí)施的井下定位和通信技術(shù)，相比于其他無線通信技術(shù)，2.4 GHz的無線ZigBee技術(shù)有很多特點(diǎn)，下面將具體介紹。

2.1 ZigBee技術(shù)介紹

ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，ZigBee技術(shù)模仿蜜蜂通過跳舞來傳遞信息的方式，通過相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間信息的接力傳遞，將一個(gè)信息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)是低成本、低功耗、高數(shù)據(jù)率，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)良。

相比于WIFI，ZigBee在技術(shù)上更簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的上層協(xié)議，SoC單芯片解決方案成本低，這也導(dǎo)致了它更省電。

相比于繞射能力更強(qiáng)的低頻段無線通信技術(shù)，2.4 GHz的ZigBee有著更準(zhǔn)確的信號(hào)強(qiáng)度指示，更大的數(shù)據(jù)通信率。對(duì)于通信速率，433 MHz最大100 kb/s的通信速率在一般應(yīng)用中也夠用了，但是通信速率10倍于433 MHz最大傳輸速率的ZigBee技術(shù)(ZICM2410模塊可達(dá)1 MHz)將可以承載更多的應(yīng)用，如體征數(shù)據(jù)傳輸，環(huán)境參數(shù)采集以及下行信息控制等。

在井下使用ZigBee技術(shù)有以下的好處。

(1)低功耗省電

單個(gè)節(jié)點(diǎn)的模塊功耗低于100 mW，而且單芯片可實(shí)現(xiàn)大部分功能，如圖1所示，ZICM2410模塊，以每隔10 s發(fā)送一次定位數(shù)據(jù)，使用550 mAh(放電量約為500 mAh)的電池可以工作13個(gè)月。

(2)易于實(shí)現(xiàn)本安防爆

因?yàn)樾枰墓ぷ麟妷旱?，工作電流小，只需要在電池安裝處做防火花處理即可。

(3)有效讀卡范圍遠(yuǎn)

圖1所示的計(jì)算表，已經(jīng)是模塊工作在最大通信范圍時(shí)的功耗，在此功耗下，外置5 dbi的天線，可實(shí)現(xiàn)視距500 m的通信，使用板載天線，寫字樓內(nèi)通信距離可達(dá)到150 m，基站如果采用有線供電，可以使用大功率高接收靈敏度（ZICM2410P2模塊），實(shí)現(xiàn)接近300 m的通信距離。具體模塊參數(shù)如表1所示。

表1 ZigBee模塊參數(shù)

為實(shí)現(xiàn)ZigBee設(shè)計(jì)者的初衷，必須要配合相應(yīng)的路由協(xié)議程序，實(shí)現(xiàn)“接力跑形式”的傳遞，參考了ZigBee 2006協(xié)議棧和一些Mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，我們推出了精簡(jiǎn)型快速的ZLGnet無線路由協(xié)議。

相比于標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議棧，ZLGnet具有路由查找速度快，路由策略穩(wěn)健等特點(diǎn)，使用自帶的配置軟件即可實(shí)現(xiàn)路由表的獲取，并可以知道哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度最弱，這在布設(shè)基站時(shí)，非常有用。查找路由表界面如圖2所示。

圖2 查看路由表和最差信號(hào)質(zhì)量

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

無線定位通信組件是一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)是分布于巷道內(nèi)的ZigBee路由中繼節(jié)點(diǎn)，由這些節(jié)點(diǎn)掛接在有線主干網(wǎng)上，此有線主干網(wǎng)一般為CAN總線，分布的路由節(jié)點(diǎn)也是井下的標(biāo)尺，配合地面監(jiān)控中心的GIS軟件，中心監(jiān)測(cè)站的技術(shù)人員可以確定每個(gè)人的位置。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

在巷道中，ZigBee信號(hào)的傳輸不能像地面無障礙傳輸一樣，巷道內(nèi)通信距離要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地面視距傳輸距離，中國礦業(yè)大學(xué)曾對(duì)各種頻率的無線電信號(hào)在井下的傳輸距離做過詳細(xì)的測(cè)試，并發(fā)表了相關(guān)的論文《礦井無線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)》，論文指出，巷道拐彎、傾斜以及分支對(duì)于2 GHz高頻信號(hào)影響是非常大的。因此，全部走無線，不但成本非常高，也不利于實(shí)現(xiàn)冗余?？煽康慕M網(wǎng)方式是采用“CAN(485)有線主干網(wǎng)+無線基站+有源定位卡”的方案。

在布設(shè)無線系統(tǒng)時(shí)，要在施工前期，做好現(xiàn)場(chǎng)勘查，需要按照無線系統(tǒng)施工的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程，準(zhǔn)備現(xiàn)場(chǎng)平面及三維圖，實(shí)測(cè)信號(hào)衰減參數(shù)，撰寫完整的《現(xiàn)場(chǎng)勘查報(bào)告》。

3 小結(jié)

站在無數(shù)煤礦工人的人身安全面前，我們坦誠地說，我們沒有完整成套的井下定位及通信系統(tǒng)，我們有的，僅僅是對(duì)于礦工安全的一份關(guān)注，一個(gè)善意的提議，我們能為礦井安全做些什么嗎？作為一個(gè)致力于工業(yè)通信的科技企業(yè)，我們或多或少承擔(dān)著用技術(shù)來保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的社會(huì)責(zé)任。