【专题　视点】世纪星结合Zigbee 技术

前言：

　　目前，国内的煤炭生产安全事故不断发生，特别是瓦斯爆炸事故接连发生，给人民生命财产带来了巨大损失。面对现实情况，不断加强灾害预防、事故救助等措施，将事故带来的损失降至最低，已经成为当务之急。因此，实现井下人员的定位和各种安全生产要素以及井下环境（如瓦斯、温度、湿度等环境指标）的无人自动采集尤为重要。由于矿山井下环境复杂，对功耗、抗干扰性等方面有较严格的要求，因此可以选择ZigBee技术的无线通讯网络来实现井下环境监测和人员定位。

　　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。

　　矿工身上佩戴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，经信号处理器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。

　　矿工佩戴的终端设备都拥有一个地址，这样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。一般Zigbee设备的耗电量极低，发射功率可以控制在1mW以内，两节普通的五号电池可以支持系统终端工作三个月到一年的时间，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，终端的续航能力将大大提高。

　　中央控制计算机中世纪星组态软件要完成的任务主要有：控制Zigbee网络开启关闭设置参数等；对采集到的数据进行处理；记录终端位置以便矿难发生时营救；对整个系统的数据进行自动备份；且自动上传至政府安全生产监督管理局监管系统主机。数据处理主要是对收集的各种参数与预先内置在系统中正常值进行比较，比如对瓦斯浓度进行对比以决定是否要切断电源；对一氧化碳浓度进行对比以决定是否要人员撤离；对空气湿度进行对比以判断是否有发生透水事故的可能等。软件系统中查询历史数据的功能是必不可少的，因为通过查询就可以得知在发生意外时，各个终端的具体位置，以及终端佩带者当时的身体状况，从而为详细制定营救方案提供依据。对于所有矿井安全管理的数据都要自动上传到当地国家安全生产监督管理局的监控主机，便于政府对矿业安全的监管。

系统结构图

　　ZigBee所具有的短距离、低成本、低功耗、易实现、安全可靠的优点非常适合于矿山井下环境监测、人员定位。矿山井下运行环境参数，及时调度生产，防止事故的发生，安全生产。在大中矿井和工厂具有良好的推广应用前景。

　　ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。具有低功耗、低成本、低速率、高通讯效率、高安全度等优势。ZigBee 整体结构如下图所示。这是一种适用于大中型矿井的无线网络，能够有效的了解矿山井下运行环境参数，及时调度生产，防止事故的发生，安全生产。在大中矿井和工厂具有良好的推广应用前景。

　　ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。具有低功耗、低成本、低速率、高通讯效率、高安全度等优势。ZigBee 整体结构如下图所示。

　　一个标准的ZigBee设备，除了IEEE802.15.4中规定的（PHY）物理层、MAC子层之外。ZigBee组织还规定了网络层、应用支持子层，设备对象层（ZDO）以及应用层框架等标准服务。协议栈通过网络层，对WPAN中的节点进行管理。支持节点数据的广播，WPAN内节点的点对点数据交换等服务。协议栈APS层实现了稳定的数据传输方式，以及大数据报文的分割与重组。

　　矿工佩戴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。一个基于ZigBee的无线个域网(WPAN)能支持高达254个节点，可实现双向通讯，广泛的适用于工业现场或野外监测等自动控制和远程控制领域。