徐立軍，段友蓮

(新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校，烏魯木齊830091)

1 引言

作者于2006年曾發(fā)表《基于RFID的煤礦井下人員定位系統(tǒng)》一文(測試技術(shù)學(xué)報2006增刊，175-180頁)，提出了一種基于RFID的煤礦井下人員定位系統(tǒng)，提供了一種煤礦井下移動目標(biāo)的定位、跟蹤和通信解決方案，在一定程度上提高了煤礦井下安全監(jiān)控與通信能力，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在不足，主要體現(xiàn)在以下幾方面:

(1)該系統(tǒng)以有線網(wǎng)絡(luò)(CAN總線)為骨干通信系統(tǒng)，在礦難發(fā)生后一旦有線網(wǎng)絡(luò)通信中斷，受困人員無法與指揮中心取得聯(lián)系，致使定位、跟蹤與通信系統(tǒng)的功能失效。救援人員只能知道礦難發(fā)生瞬間人員的位置，而在礦難災(zāi)害中對井下人員的定位和搜救是最為緊迫的任務(wù)。救援人員如果能在最短時間內(nèi)找到被困人員，將極大提高救援效率，挽救被困人員的生命。

(2)應(yīng)急救援通信僅能在指揮中心和救援人員之間展開，沒有包括最需要通信的被困人員。

(3)系統(tǒng)功能單一，沒有實(shí)現(xiàn)多種功能的有機(jī)結(jié)合。有線網(wǎng)絡(luò)的布置經(jīng)常跟不上采掘面的掘進(jìn)速度，造成大量的檢測死角和安全隱患，無法充分發(fā)揮井下通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

鑒于以上原因并結(jié)合煤礦井下安全監(jiān)控?zé)o線傳感與通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，文章提出在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上掛接無線監(jiān)控分站，實(shí)現(xiàn)對井下參數(shù)的采集和控制。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

在井下以一定的間隔布置帶有兩種網(wǎng)絡(luò)接口的無線接入點(diǎn)，以有線方式接入監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并可以以無線方式與移動無線傳感器節(jié)點(diǎn)交換信息［1］。

井下人員和設(shè)備佩戴的無線傳感器節(jié)點(diǎn)可起到移動信息源功能，采用成熟的主從式無線網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，人員佩戴的移動節(jié)點(diǎn)可以起到移動目標(biāo)定位跟蹤、環(huán)境參數(shù)采集、處理和傳輸以及無線尋呼/對講、任務(wù)分配和協(xié)調(diào)控制等功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

礦難事故發(fā)生或井下有線通信遭到破壞后，井下傳感器節(jié)點(diǎn)通過對無線通道的偵聽，立即啟動自組織協(xié)議，形成無線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，處理過程如圖2所示。

圖2 礦難發(fā)生時的救援信息通信系統(tǒng)

礦難發(fā)生時，無線傳感器節(jié)點(diǎn)自組織形成應(yīng)急救援通信網(wǎng)絡(luò)，大多情況下，井下會形成若干相互孤立的區(qū)域，所以，這種應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)如下功能:

(1)孤島網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)被困人員間的信息交流;

(2)救援人員可利用無線信號搜索被困人員，井下人員即使已經(jīng)遇難，其佩戴的無線傳感器節(jié)點(diǎn)依然可以進(jìn)行信息中繼，幫助搜尋其遺體;

(3)救援指揮中心可根據(jù)應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)提供的信息即時掌握井下環(huán)境參數(shù)和人員分布情況，快速做出最正確的決定［5］。

3 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)自組織通信協(xié)議主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層。

(1)物理層

主要負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)的信息采集，即施工點(diǎn)周圍環(huán)境參數(shù)的檢測，并對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣，考慮到我國煤礦具體情況，建議該網(wǎng)絡(luò)采用無線電波載波媒體如 Zigbee技術(shù)，工作頻段為 915MHz或2.4GHz［4］。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層

負(fù)責(zé)媒體訪問控制和建立節(jié)點(diǎn)之間可靠的通信連路，主要由媒體訪問控制MAC組成。系統(tǒng)采用基于預(yù)先規(guī)定的媒體訪問控制協(xié)議，首先由無線接入點(diǎn)即信宿節(jié)點(diǎn)向各個無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個開始指令，無線傳感器節(jié)點(diǎn)接到指令信息，轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。各個無線傳感器節(jié)點(diǎn)收到來自信宿節(jié)點(diǎn)的開始指令后，由接收狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，并按ID×2ms時間間隔逐個向信宿節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣能避免由于信道中發(fā)生競爭沖突而造成數(shù)據(jù)包的丟失。

(3)網(wǎng)絡(luò)層

主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由。

該網(wǎng)絡(luò)采用按需路由協(xié)議，即采用“路由請求/路由應(yīng)答”機(jī)制來建立路由。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要去往某未知目的節(jié)點(diǎn)路由時，廣播一個“路由請求”分組至源節(jié)點(diǎn)的所有鄰居。如果在鄰居節(jié)點(diǎn)中未發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)就轉(zhuǎn)發(fā)該“路由請求”分組，直到“路由請求”分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或到達(dá)直到去往目的節(jié)點(diǎn)路由的中間節(jié)點(diǎn)，這時再沿反向路由發(fā)送“路由應(yīng)答”分組，該路由協(xié)議不僅可以實(shí)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)間的單跳路由，也可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)多個中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的多跳路由。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計及工作過程

鑒于目前RFID系統(tǒng)所面臨的問題，本課題設(shè)計了基于Zigbee技術(shù)的遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由以下三個部分組成:應(yīng)答器、讀卡器和上位機(jī)。總體方案如圖3所示。

圖3 基于Zigbee技術(shù)的RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.1 射頻芯片硬件選擇

系統(tǒng)采用Chipcon公司的CC2420作為無線通信設(shè)備，該器件是 Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，是一款較成熟的適用于Zigbee產(chǎn)品的RF器件［2］。

通訊節(jié)點(diǎn)與通訊接口之間的連接圖如圖4所示。

圖4 通訊節(jié)點(diǎn)與通訊接口之間的連接圖

4.2 系統(tǒng)工作過程

首先打開信宿節(jié)點(diǎn)和Zigbee節(jié)電電源開關(guān)，信宿節(jié)點(diǎn)發(fā)送開始指令，傳感器節(jié)點(diǎn)收到指令后，甲烷濃度傳感器和溫度傳感器從周圍環(huán)境采集瓦斯?jié)舛群蜏囟?，?jīng)過信號處理及A/D轉(zhuǎn)換、打包等處理，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給信宿節(jié)點(diǎn)，信宿節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，經(jīng)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過顯示模塊顯示實(shí)時數(shù)據(jù)，同時所有數(shù)據(jù)同步進(jìn)行存儲，可隨時通過USB接口把數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)進(jìn)行分析。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸藁蛴泄?jié)點(diǎn)失效時，報警電路報警，在系統(tǒng)工作過程中，可設(shè)定傳感器采集頻率為1次/s［3］。

5 結(jié)束語

對該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可行性調(diào)試，接收信號結(jié)果如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)證明所設(shè)計系統(tǒng)電路符合設(shè)計及使用要求。

實(shí)驗(yàn)室測試和實(shí)際環(huán)境中使用會有很多差異性，所以，在系統(tǒng)設(shè)計中還應(yīng)該考慮另外一些很實(shí)用化的問題:

(1)煤礦井下電磁環(huán)境復(fù)雜，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)易受干擾，應(yīng)選擇電磁干擾和煤壁吸收相對較小的工作頻段和合適的信道編碼技術(shù)，以提高系統(tǒng)可靠性。

(2)應(yīng)結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)的實(shí)際，明確無線網(wǎng)絡(luò)在井下的應(yīng)用場合和展開形式，詳細(xì)分析利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建應(yīng)急通信系統(tǒng)的可能性。

(3)應(yīng)設(shè)計高效的自組織算法和傳輸協(xié)議以有效保障網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)重組。

(4)無線傳感器必須做到低成本、低功耗。

(5)基于煤礦安全角度考慮，井下所采用一切設(shè)備必須防爆、防潮，符合煤礦井下電氣設(shè)備通用要求。

圖5 接收數(shù)據(jù)波形

［1］ 楊維，馮錫生等.新一代全礦井無線信息系統(tǒng)理論與關(guān)鍵技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報，2004，29(4):506-509.

［2］ 盛利.基于RFID和Zigbee技術(shù)煤礦井下人員跟蹤定位系統(tǒng)研究［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(11):25.

［3］ 張敏，郭淑君.基于Zigbee技術(shù)的RFID應(yīng)用實(shí)現(xiàn)［J］.解決方案，2010(5):34-37.

［4］ 劉宇，彭剛.一種基于Zigbee技術(shù)的RFID網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法［J］.廣西科學(xué)院學(xué)報，2010，26(4):455-457.

［5］ 崔遜學(xué)，趙湛，王成.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域應(yīng)用與設(shè)計技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.