事故的损失降到最低。本文所阐述的应用设想就是对未来矿山安全系统的一种探索〔1-2〕。
1 Zigbee相关技术介绍ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低成本无线网络技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“Home RFLite”或“Fire Fly”无线技术,主要用于近距离无线连接。ZigBee的网络标准由IEEE 802.15工作组负责制订,Zigbee是IEEE 802.15.4标准在商业推广上的名称。802.15.4标准的适用范围非常贴近生产和生活,对数据速率和Qos的要求不高,目标市场是工业、家庭以及医疗等需要低功耗低成本以及大面积使用无线监控设备的领域。其基本技术参数如表1所示。
表1 Zigbee基本技术参数
2 Zigbee在矿工生命保障上的应用Zigbee系统结构如图1所示;信号流程如图2所示。
3 系统设计的基本思想是用传感器和Zigbee模块构成简单的穿戴式网络。矿工身上佩带的终端设备主要由各种传感器、报警器以及Zigbee发射接收模块组成。传感器主要由两部分组成,一部分用于环境监测:包括瓦斯浓度探测、一氧化碳浓度探测、空气湿度探测等功能;另一部分用于矿工生命体征的采集:诸如脉搏、血压、呼吸、体温等,包括脉搏传感器、温度传感器、状态传感器等。上述各种传感器对各种原始信号进行采集后,需要进行模拟信号到数字信号的转换,这一过程要经过模拟信号放大器,A/D转换器,电平比较器,信号处理器等设备,转换后得到的数字信号经过Zigbee发射模块无线传输至矿井坑道壁上的网关设备。
坑道中每隔几十米架设固定的网关设备,并用线缆相联,用于收集Zigbee无线信号,并将收集到的数据通过有线方式传输到地面上的中央控制计算机。由于矿井采掘面不断延伸,有线设备的架设不便及时跟进,所以在采掘面附近采用Zigbee无线中继设备将信号传输至相邻网关。无线网关还需要根据中央控制机计算的指令为建立和启动网络这一过程设置参数,其中包括选择一个射频信道、唯一的网络标识符以及一系列操作参数,以及完成由Zigbee无线数据到有线传输数据格式的转换。
矿工佩带的终端设备都拥有一个64位的IEEE地址,也可以使用16位短地址来减少数据包大小,这样只要记录下终端地址就可以很容易确定矿工身份。在发生矿难时也很容易根据网关最后记录找到具体矿工的位置,便于营救。在无线传输时的路由选择在默认时使用树形路由选择,即在做路由选择策略时利用树形结构选址。有了树形路由选择,设备不必保存占用庞大内存的路由表或进行任何额外的空中下载技术操作来发现路径,因此最小化了网络流量,同时简化了设备结构,降低了成本和设备功耗,一般Zigbee设备的耗电量极低,发射功率可以控制在1 mW以内,2节普通的五号电池可以支持系统终端工作3个月到1年的时间,非常适合在工矿企业大面积装备。如果采用矿工自身携带的照明系统蓄电池供电,
