煤礦井下Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

鮑 超

（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院，安徽合肥 230041）

現(xiàn)代礦井的建設(shè)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，煤礦信息化建設(shè)基本形成了以礦井綜合自動化平臺為核心，各個生產(chǎn)自動化系統(tǒng)和信息監(jiān)測系統(tǒng)為分支的綜合體系。在該體系中，各個子系統(tǒng)既相互獨(dú)立，又融入礦井綜合自動化平臺，服從統(tǒng)一管理。在這種背景下，礦井信息自動化建設(shè)的重點(diǎn)在于提高子系統(tǒng)的信息化水平和礦井綜合自動化平臺的整合效率。

現(xiàn)有的井下監(jiān)控系統(tǒng)，對傳感器以及設(shè)備信息的采集主要依靠硬接線，存在著布線工作量巨大而且復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn)。近年來無線通信陸續(xù)應(yīng)用到了部分井下系統(tǒng)，如井下的小靈通語音通話系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)等，而針對井下各類生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)控和環(huán)境安全的監(jiān)控，采用無線通信方式進(jìn)行構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)基本處于試驗(yàn)階段，主要困難有：① 用于地面通信的無線傳輸設(shè)備在井下巷道的特定環(huán)境里性能明顯下降；② 常規(guī)無線傳輸設(shè)備為了滿足井下無線覆蓋的需要在投資上過于高昂；③ 缺少針對井下特殊環(huán)境里無線設(shè)備使用的分析，使得在設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)的過程中難以有針對性地選取無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

本文采用相應(yīng)的技術(shù)，并結(jié)合長期礦井電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，完成了對礦井井下Zigbee網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)分析工作。

1 Zigbee技術(shù)

ZigBee技術(shù)作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)，是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用于無線監(jiān)測與控制的全球性無線通信標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)簡單易用、近距離、低速率、低功耗（長電池壽命）且極廉價(jià)的市場定位［1］。

1.1 Zigbee技術(shù)與工業(yè)總線技術(shù)投資比較

現(xiàn)在礦井井下信息傳輸?shù)姆绞街饕獮椋褐鞲尚畔⒕W(wǎng)采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)光纖，子系統(tǒng)采用工業(yè)總線。工業(yè)總線速度快，但是線路成本、施工成本和維護(hù)成本很高。以一個包含10個監(jiān)測點(diǎn)，長度為3 km的監(jiān)控系統(tǒng)為例，工業(yè)總線需30臺中繼器，硬件設(shè)備總投資31.5萬元，而Zigbee技術(shù)僅需10臺中繼器，投資額度僅為5萬元。

1.2 Zigbee、藍(lán)牙、WiFi技術(shù)的主要指標(biāo)比較

在井下無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展過程中，同Zigbee技術(shù)類似適合作為礦井井下無線通信的技術(shù)主要還有藍(lán)牙技術(shù)和WiFi技術(shù)，Zigbee、藍(lán)牙、WiFi技術(shù)的主要指標(biāo)比較見表1所列。

表1 Zigbee、藍(lán)牙、WiFi技術(shù)的主要指標(biāo)比較

由以上分析可知，Zigbee技術(shù)相對于藍(lán)牙技術(shù)和WiFi技術(shù)來說，在系統(tǒng)構(gòu)成和設(shè)備投資上具備優(yōu)勢，更適合用于礦井井下無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

2.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

任何一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)都是以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為核心向外擴(kuò)散構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)鏈路的，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和網(wǎng)絡(luò)具有控制功能的節(jié)點(diǎn)必須采用全功能設(shè)備（Full Functional Device，簡稱FFD）。網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以是簡單的星型，也可以是網(wǎng)型或者多簇的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)一個FFD設(shè)備第1次被激活后，就會建立一個自身的網(wǎng)絡(luò)，并成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。所有星型網(wǎng)絡(luò)的操作獨(dú)立于當(dāng)前其他星型網(wǎng)絡(luò)的操作，因此一旦選定了一個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就會允許其他設(shè)備加入到它的網(wǎng)絡(luò)中，無論是FFD設(shè)備，還是精簡功能設(shè)備（Reduced Function Device，簡稱RFD）都可以加入到這個網(wǎng)絡(luò)中。

對于多簇網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是唯一的，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與多個簇頭構(gòu)成網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)，簇頭與簇頭之間形成對等網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，不但允許簇頭與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信，而且允許簇頭之間相互通信；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器起到統(tǒng)一調(diào)配網(wǎng)絡(luò)資源的作用，合理分配網(wǎng)絡(luò)信道和鏈路使用方式，減小網(wǎng)絡(luò)開銷，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

2.2 煤礦井下的Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/h3>

在構(gòu)造井下Zigbee網(wǎng)絡(luò)時，本文需要考慮與礦井設(shè)立在井下的其他通信平臺的配合，煤礦井下一般按照各級變電所分為很多區(qū)域，這個區(qū)域的范圍一般為1～2 km，設(shè)計(jì)Zigbee網(wǎng)絡(luò)時可以依照該地理區(qū)域劃分，按照一個區(qū)域一個網(wǎng)絡(luò)考慮，理由如下：

（1）變電所的配電范圍在2 km以內(nèi)，煤礦井下在該范圍內(nèi)每隔500 m建一個基站（巷道分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)均設(shè)基站），數(shù)量不會超過20個，適合一個獨(dú)立的Zigbee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)容量。

（2）一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)中有唯一的網(wǎng)絡(luò)控制器，對于井下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)來說，不但需要負(fù)擔(dān)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)調(diào)，還需要將數(shù)據(jù)上傳至礦井綜合自動化平臺中，這需要網(wǎng)絡(luò)控制器與就近的井下光纖交換機(jī)連接，每個變電所內(nèi)即配有交換機(jī)，方便每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集中上傳。

（3）Zigbee網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至綜合自動化平臺后需要與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，由于井下其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳也需要通過工業(yè)以太網(wǎng)，即均先需要集中至變電所交換機(jī)，所以進(jìn)行數(shù)據(jù)整合時按照變電所區(qū)域?yàn)閱挝桓鼮楹侠?，能有機(jī)地、直觀地表現(xiàn)一個相對獨(dú)立的工業(yè)運(yùn)行環(huán)境的各個方面。

綜上所述，考慮到一個區(qū)域的Zigbee網(wǎng)絡(luò)是以變電所為核心向外擴(kuò)散的形式，井下監(jiān)控系統(tǒng)采用多簇型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能更有效地配合現(xiàn)場環(huán)境。

3 煤礦井下Zigbee網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分析及選擇

實(shí)際的Zigbee產(chǎn)品將微處理器和RF收發(fā)器甚至大容量存儲器均集成在一塊芯片上，典型的產(chǎn)品如CC2420／30；以CC2430－F128為例，集成了高速8051內(nèi)核，Zigbee RF硬件部分，8 K SRAM，128 K／64 K／32 K閃存。利用Zigbee模塊化構(gòu)造，可以方便地采用外設(shè)不同的晶振和發(fā)射電路來達(dá)到希望的傳輸性能。

3.1 煤礦井下環(huán)境對通信過程的影響

井下環(huán)境的信道特征直接影響了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)工程投資的額度和系統(tǒng)的可靠程度。從系統(tǒng)構(gòu)成上，為了保證可靠的通信，在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時需要綜合考慮頻段、發(fā)射功率、天線極化、巷道形狀和井下粉塵水汽等對傳輸衰減的影響。

設(shè)簡單通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)功率為P1，接收機(jī)功率為P2，最大通信距離為d，發(fā)射天線增益G1，接收天線增益G2，衰減系數(shù)α，則有：

在礦井井下的應(yīng)用環(huán)境中，無線電波傳輸衰減與巷道形狀、井下粉塵、潮濕水汽以及選擇的天線極化形式均有關(guān)系。

3.1.1 巷道形狀對無線傳輸?shù)挠绊?/p>

對一個拱形巷道來說，可以設(shè)拱形半徑為r，高為h，巷道內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)為ε0，巷道壁介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1?？紤]到巷道內(nèi)介質(zhì)（即為空氣），可以直接引入相對介電常數(shù)ε＝ε1／ε0。

采取水平極化EH11波傳輸時，電磁波傳播時的衰減常數(shù)αH的近似計(jì)算［2］為：

而采取垂直極化EV11波傳輸時，電磁波傳播時的衰減常數(shù)αV的近似計(jì)算［2］為：

參照井下巷道參數(shù)，取r＝1.5 m，h＝1.0 m，ε＝10可以得出，對于同一載波而言，采用水平極化EH11波傳輸與采取垂直極化EV11波傳輸產(chǎn)生的衰減之比為αH／αV＝0.15。顯然，在井下巷道中，載波采用水平極化EH11波傳輸時的損失比采用垂直極化EV11波傳輸時小一個數(shù)量級。

3.1.2 井下粉塵對無線傳輸?shù)挠绊?/p>

在礦井井下，巷道內(nèi)充斥著浮游的粉塵粒徑為0.25～10μm，但是，其中80%～90%的礦塵為呼吸性粉塵，其粒徑的大小在5μm以下［3］。當(dāng)通信電磁波頻率在UHF頻段時，以頻率ν＝1 000 MHz的載波為例，由λ＝C／ν得出波長λ＝ 0.33 m?？梢娋路蹓m顆粒尺寸相對于高頻載波波長來說可以忽略，不會引起明顯的折射，但是粉塵濃度的變化可以引起電磁波的散射。根據(jù)國家有關(guān)礦井規(guī)范，井下有人工作的地點(diǎn)和人行道的空氣中游離SiO2摩爾分?jǐn)?shù)在10%以上的總塵質(zhì)量濃度不得超過6 mg／m3，呼吸性粉塵質(zhì)量濃度不得超過2.5 mg／m3；含游離SiO2小于10%時，ρ總塵≤10 mg／m3，ρ呼吸性粉塵≤3.5 mg／m3。在高質(zhì)量濃度粉塵環(huán)境下，1 000 MHz電磁波的散射衰減僅為2.8×10－4dB左右，基本可以忽略。

3.1.3 潮濕環(huán)境對無線傳輸?shù)挠绊?/p>

井下巷道一般位于地下600 m以下，之上有多個含水層，除井底車場和周邊其他大部分巷道巖壁終年濕潤，由于井下強(qiáng)制通風(fēng)，空氣濕度不大，潮濕的巷道巖壁會改變本身的電導(dǎo)率。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，干燥的巖壁電導(dǎo)率σ＝0.001 s／m，而潮濕的巖壁電導(dǎo)率σ′＝0.01 s／m，減小10倍［4］。但潮濕會增加巖壁的相對電容率，同等條件下，干燥的巖壁電容率K1＝5，潮濕情況下巖壁電容率K2＝10。綜合潮濕環(huán)境下的參數(shù)改變，由電導(dǎo)率減小導(dǎo)致的衰減降低了1.022%，但是由電容率增加導(dǎo)致的衰減增加卻有11.82%［4］。因此可以估算出由于潮濕導(dǎo)致的衰減增加約10%。

3.2 煤礦井下Zigbee網(wǎng)絡(luò)頻率的選擇

井下Zigbee網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)分析主要針對通信的頻率和設(shè)備的無線發(fā)射功率。在分析過程中，需要考慮井下Zigbee網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用對象對無線網(wǎng)絡(luò)性能的要求，主要為：選擇能夠保證監(jiān)測對象數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ潘俾剩贿x擇狹小空間內(nèi)能夠遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐ㄐ蓬l率和發(fā)射功率，同時滿足井下設(shè)備的電氣防爆要求。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)允許的3種頻段分別為2.4 GHz、868 MHz和915 MHz。根據(jù)距離計(jì)算式，選擇915 MHz頻段在理論上傳輸距離優(yōu)于2.4 GHz頻段，有利于減少基站的布置數(shù)量，但需要綜合考慮系統(tǒng)對通信速率的要求。915 MHz頻段通信只能達(dá)到40 kb／s的速度（合5 k B／s），而2.4 GHz頻段通信能達(dá)到250 kb／s的速度（合40 k B／s）。為了合理選擇頻段，需要考察井下Zigbee網(wǎng)絡(luò)所傳送的信息量，對于井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)來說，溫度傳感器、濕度傳感器、粉塵傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、瓦斯傳感器是必要的。對于一套典型的傳感器，采集處理后形成的數(shù)據(jù)可以是16位帶符號數(shù)或者32位浮點(diǎn)數(shù)，考慮采用占用bit數(shù)較多的32位浮點(diǎn)數(shù)的情況，每個數(shù)據(jù)使用16 bit，即2字節(jié)，1組6個傳感器在一個采集周期內(nèi)需要上傳12個字節(jié)的數(shù)據(jù)，考慮其他可能傳輸?shù)男畔?，可估?jì)每個采集周期由PLC采集的信息量有20個字節(jié)。人員定位信息主要為礦工隨身攜帶的RFID識別卡的地址登記信息，作為網(wǎng)絡(luò)登記的地址信息占用16 bit，即2字節(jié)長度。每個采集點(diǎn)在一個隨機(jī)時刻按照15個識別卡登記，信息量有30個字節(jié)。

本文信息傳輸涉及的2種協(xié)議分別為Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腎EEE802.15.4協(xié)議和PLC處理數(shù)據(jù)時采用的工業(yè)總線協(xié)議，以西門子系列產(chǎn)品為例，一般為Profibus－DP協(xié)議。Profibus－DP協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文［5］中除DATA（數(shù)據(jù)單位）外，還含有SD（起始定界符）、FC（功能代碼）、LE（數(shù)據(jù)長度）、LER（重復(fù)數(shù)據(jù)長度）、DA（目的地址）、SA（源地址）、DSAP（目的服務(wù)存取點(diǎn)信息）、SSAP（源服務(wù)存取點(diǎn)）、FCS（校驗(yàn)位）、ED（終止定界符），總共不超過15個字節(jié)，加上數(shù)據(jù)長度30個字節(jié)，信息量共45個字節(jié)?？梢灶A(yù)估每次由PLC發(fā)出的信息量總共可以控制在50個字節(jié)以內(nèi)。

對于Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腎EEE802.15.4協(xié)議來說，文獻(xiàn)［1］可簡化為4類幀：Beacon幀（信標(biāo)幀）、Data幀（數(shù)據(jù)）、確認(rèn)幀、MAC幀（控制幀）。本文用一個Zigbee數(shù)據(jù)包傳送一個采集點(diǎn)的傳感器和人員定位信息，數(shù)據(jù)包內(nèi)容如圖1所示。

圖1 Zigbee數(shù)據(jù)包

實(shí)際傳輸中，由于信息量的變化，傳感器信息和人員定位甚至其他接入Zigbee網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)信息均可以分包傳輸，是否能夠有效傳輸主要取決于信息量。如果采用915 MHz頻段通信，網(wǎng)絡(luò)速度最大為5 k B／s，即每秒可以傳輸5 k字節(jié)的數(shù)據(jù)包，理論可以處理的節(jié)點(diǎn)數(shù)n＝40個，則每個數(shù)據(jù)包傳輸消耗的時間t1＝25 ms。

在實(shí)際通信中還需要考慮網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)向上傳輸?shù)臅r隙，即上一次節(jié)點(diǎn)間通信完成和下一次節(jié)點(diǎn)間通信開始之間的時間間隔：Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信道接入時延t2＝15 ms。

由此可知，在一個區(qū)域內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)只向核心位置的網(wǎng)絡(luò)控制器傳輸1個數(shù)據(jù)包的情況下，理論上可以支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)N＝［1 000／（25＋15）］＝25個，再考慮由于環(huán)境因素隨機(jī)產(chǎn)生的更多的響應(yīng)延遲，每個區(qū)域能支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)難以超過20個。以上分析說明采用915 MHz頻段通信時，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量受到限制，除非其在傳輸距離性能上能夠大大優(yōu)于2.4 GHz頻段，以減少基站的建設(shè)費(fèi)用，否則難以在綜合效能上勝出。對于2.4 GHz頻段來說，網(wǎng)絡(luò)可以支持最大40 kB／s，即每秒可以傳輸40 k字節(jié)的數(shù)據(jù)包，由以上分析可知，每個數(shù)據(jù)包傳輸消耗的時間為3.1 ms。在一個區(qū)域內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)只向核心位置的網(wǎng)絡(luò)控制器傳輸1個數(shù)據(jù)包的情況下，理論上可以支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)N＝55個。再考慮由于環(huán)境因素隨機(jī)產(chǎn)生的更多的響應(yīng)延遲，每個區(qū)域能支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)約為50個。

以上情況為一個區(qū)域內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)只向核心位置的網(wǎng)絡(luò)控制器傳輸1個數(shù)據(jù)包。實(shí)際情況中可能需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更多，但是可以簡單地估計(jì)為：在一個固定區(qū)域的Zigbee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)采用2.4 GHz頻段的通信量是915 MHz頻段的2.5倍。

3.3 井下Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)射電路參數(shù)和傳輸距離

Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的傳輸受發(fā)射頻率、發(fā)射電路的電壓和電流及天線的極化模式的影響。發(fā)射頻率只有915 MHz頻段或2.4 GHz頻段可選擇，相對固定。天線采用水平極化模式可以達(dá)到最佳的傳輸效果。對于目前廣泛使用的Zigbee產(chǎn)品來說，額定電壓基本固定，所以決定發(fā)射功率的主要因素是集成電路中供給發(fā)射電路的電流，而限制電流的首要條件必須符合國家對煤礦產(chǎn)品在井下使用的防爆等級的要求。

3.3.1 無線發(fā)射電路參數(shù)分析

礦井中，主要爆炸危險(xiǎn)是甲烷和一氧化碳，甲烷－空氣混合物作為Ⅰ類防爆對象，爆炸體積分?jǐn)?shù)僅為（8.3±0.3）%，最小點(diǎn)燃能量為0.28 mJ［6］，最小點(diǎn)燃能量與設(shè)備產(chǎn)生的熱損耗無關(guān)，主要針對能夠引起靜電火花的能量。礦井中的電氣防爆等級要求按照防爆以甲烷－空氣混合物為準(zhǔn)的Ⅰ類考慮。到目前為止，對防爆設(shè)備基本只采用IEC試驗(yàn)裝置進(jìn)行檢測，該裝置對Ⅰ類（煤礦電氣）設(shè)備的試驗(yàn)標(biāo)定參數(shù)為24 V，直流電流110 m A。IEC裝置以最小點(diǎn)燃能量為依據(jù)，對設(shè)備的本質(zhì)安全性能進(jìn)行檢驗(yàn)。檢測電路本質(zhì)安全性能的能量判別式［7］為：

其中，Wg為臨界引爆能量；α為最小點(diǎn)燃能量的考慮系數(shù)，一般為2.65～3.00，對于甲烷等物質(zhì)，可直接取α＝2.80；Wmin為國家標(biāo)準(zhǔn)中最小點(diǎn)燃能量，對于甲烷 －空氣混和物（Ⅰ類），取Wmin＝ 0.28 mJ。由此得出臨界爆炸能量Wgmax＝ 0.784 mJ，所以要求本質(zhì)安全電路的能量Wg＜Wgmax。

隨著研究的深入可發(fā)現(xiàn)，很小的火花卻能造成爆炸氣體的引燃，而較大的火花卻不一定能引燃同樣的氣體，由此，現(xiàn)在的防爆判定在最小點(diǎn)燃能量的基礎(chǔ)上發(fā)展了功率判別法。實(shí)驗(yàn)證明，采用功率判別法對本質(zhì)安全電路的檢測不但能滿足能量判別法的判別要求，而且能夠?qū)芏嗄芰颗卸ê细駞s在實(shí)驗(yàn)中不合格的情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。檢測電路本質(zhì)安全性能的功率判別式［7］為：

其中，Wmin為國標(biāo)中最小點(diǎn)燃能量；Pmax為臨界條件下放電電弧功率；τ為電路的時間常數(shù)，對于一個電感為L，電阻為R的電路，τ＝L／R；δ為比例系數(shù)，僅與電路電源電壓有關(guān)，其定義式為：

其中，E為電路電源電動勢；Varcmin為電路最小起弧電壓，雖然受很多隨機(jī)因素影響，但變化不大，由統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可以直接取Varcmin＝16 V。由（6）式可以得出，電路電源電壓越高，δ越小，相應(yīng)的臨界功率越小。對于電源電壓E＝24 V的發(fā)射電路，可以得出δ＝0.556。

按照IEC試驗(yàn)裝置的檢測電路的標(biāo)定參數(shù)，取時間常數(shù)τ＝0.436 ms，則對于Ⅰ類本質(zhì)安全電路，可計(jì)算出臨界功率為Pmax＝127.4 m W。相應(yīng)地對于同電壓等級的本質(zhì)安全電路的功率Pg，要求Pg＜Wgmax。

Zigbee無線通信設(shè)備在發(fā)射電路部分為容感混合電路性質(zhì)，可以參考混合電路放電模型，發(fā)射電路屬于振蕩閉合電路，電感對混合電路閉合時放電電流起抑制作用，所以采用以上判別式可以有效保證選取的Zigbee無線發(fā)射裝置的本質(zhì)安全性能。

3.3.2 傳輸距離分析

（1）式作為自由空間電磁波傳播分析的距離判別式是有效的，但對于煤礦井下巷道環(huán)境，需加入相應(yīng)的干擾因素，IEEE組織根據(jù)802.15.4a信道的特點(diǎn)，建立了適用于UWB（2～10 GHz）和100～1 000 MHz的信道損耗模型［8］為：

其中，P1為發(fā)射機(jī)功率；P2為接收機(jī)功率；G1為發(fā)射天線增益；G2為接收天線增益；d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離；Aant為天線衰減因子；n為距離損耗修正系數(shù)；k為頻率修正系數(shù)；d0為標(biāo)準(zhǔn)參考距離，為1 m；fc作為參考中心頻率，為5 GHz（針對UWB 2～10 GHz頻段）、500 MHz（針對100～1 000 MHz頻段）；P0為標(biāo)準(zhǔn)參考距離下的通信損耗；S為損耗計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方差。

（7）式中功率采用國際標(biāo)準(zhǔn)單位W／m W，但是通常標(biāo)定通信設(shè)備參數(shù)的單位采用dB／dBm，為了方便起見，對（2）式進(jìn)行對數(shù)變換［8－9］，得出：

如果不考慮信道的余量，可以轉(zhuǎn)化為最大傳輸距離dmax的表達(dá)式［8－9］為：

IEEE組織對不同環(huán)境下802.15.4a信道的各項(xiàng)修正因子的數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)定，本文可以根據(jù)煤礦井下特點(diǎn)合理選擇修正因子。由于煤礦井下巷道為平直有限空間，而且采用通信定向天線，可以認(rèn)為是在有限無遮擋空間內(nèi)的定向傳輸，根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)對煤礦拱形巷道電磁波傳播的研究，當(dāng)電磁波頻率達(dá)到1 GHz以上時，不同巷道半徑下的傳輸衰減率均趨向于自由空間，由此可以選擇n＝176，k＝－5.6，S＝－6，Aant＝－3，P0＝－43.29［8－9］。

根據(jù)以上模型選取的參數(shù)，可以估算在礦井井下的Zigbee設(shè)備分別采用915 MHz頻段和2.4 GHz頻段通信的有效通信距離。

參考之前對煤礦井下允許的具備Ⅰ類本質(zhì)安全要求的無線電路的分析，本文假設(shè)發(fā)射功率P1＝10 dBm，接收機(jī)靈敏度為P2＝－110 dBm。

在定向發(fā)射／接收天線增益G1＝G2＝0 dBi時，代入（9）式得出有效傳輸距離302 m。在定向發(fā)射／接收天線增益G1＝G2＝10 dBi時，可以得出有效傳輸距離3 981 m。

以上分析說明加裝了具有一定增益的定向天線后，采用915 MHz頻段傳輸時的距離大大提高，可以保證在1 000 m直線巷道內(nèi)的最大速度傳輸。

取發(fā)射功率P1＝10 d Bm，接收機(jī)靈敏度為P2＝－110 d Bm，在定向發(fā)射／接收天線增益G1＝G2＝0 dBi時，可以得出有效傳輸距離為。在定向發(fā)射／接收天線增益G1＝G2＝10 d Bi時，可以得出有效傳輸距離1 995.3 m。

以上分析表明，Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備各單元功率只需要達(dá)到煤礦井下Ⅰ類本質(zhì)安全電路的限制功率的1／2，就完全可以滿足工業(yè)級別的距離傳輸要求。在實(shí)際應(yīng)用中，采用2.4 GHz傳輸時，加裝定向天線后，可以保證在500 m直線巷道內(nèi)的最大速度傳輸。

綜合比較915 MHz頻段與2.4 GHz頻段的性能，采用915 MHz頻段傳輸只是在傳輸距離上優(yōu)于2.4 GHz頻段，而在信道和傳輸速度上大大落后。Zigbee網(wǎng)絡(luò)在一個1 km2的區(qū)域中需要布置的節(jié)點(diǎn)，估算采用915 MHz頻段時需要12個，而采用2.4 GHz頻段時需要15個。這種節(jié)點(diǎn)數(shù)量的差別并不明顯，而Zigbee網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率差別將非常明顯，綜合考慮，在設(shè)計(jì)井下Zigbee網(wǎng)絡(luò)時，擬選用2.4 GHz頻段傳輸。

3.4 煤礦井下Zigbee網(wǎng)絡(luò)信道余量

在Zigbee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中需要考慮信道的余量，首先依據(jù)市場上現(xiàn)有的2.4 GHz的Zigbee組件建立一個模型。現(xiàn)在市面上的Zigbee設(shè)備的接收靈敏度可以達(dá)到－100～－119 dBm，模型中可選取接收靈敏度為－100 dBm。

根據(jù)煤礦井下Ⅰ類爆炸環(huán)境對井下電氣的本質(zhì)安全要求分析，無線發(fā)射電路的功率Pg＜Wgmax，可以取RF功率為100 mW，即20 dBm，天線增益為10 d Bi，傳輸距離為500 m。由之前的分析可選擇水平極化EV11波進(jìn)行500 m巷道的衰減常數(shù)近似計(jì)算，巷道參數(shù)取r＝1.5 m，h＝ 1.0 m，ε＝10，對于2.4 GHz電磁波，波長λ＝ 0.125 m，衰減率［2］為α＝0.036 6 d B／m，可以估算出500 m的衰減為P500＝18.3 dB?？紤]巷道壁潮濕情況下衰減率增加10%，500 m距離的衰減約為22 dB。再計(jì)入發(fā)射時的損耗約2 dB［10］，可以估算出接收電平RSL＝16 d Bm。

而對于2.4 GHz的電磁波在直巷道內(nèi)傳播的傳播損耗可以近似為無障礙空間傳播損耗［8］，傳播損耗為89.8 dB，可以得出信道的余量為26.2 d B。

當(dāng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)以250 kb／s傳輸時，能被實(shí)際利用的速度約為100 kb／s，合12.5 k B／s；而每個采集節(jié)點(diǎn)所需要傳輸?shù)膫鞲衅饕约叭藛T定位的信息約80個字節(jié)，按最大20個節(jié)點(diǎn)計(jì)算，信息量為1 600個字節(jié)，合1.56 k字節(jié)，則剩余信息量為10.9 k字節(jié)，可知有效信息傳輸余量約為10 k字節(jié)，說明網(wǎng)絡(luò)有足夠的信息傳輸余量，可以考慮兼容其他信息的傳輸。

4 結(jié)束語

本文介紹了現(xiàn)在流行的Zigbee技術(shù)的各項(xiàng)性能，論證了將Zigbee技術(shù)應(yīng)用于礦井井下生產(chǎn)的可行性，并分析了礦井井下監(jiān)控應(yīng)用的需求，確定了井下Zigbee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成方案；分析了井下環(huán)境因素（巷道的形狀和走向、井下粉塵、濕氣）等對Zigbee無線傳播的影響以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量的需求，在此基礎(chǔ)上確定了井下無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)參數(shù)以及節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成。Zigbee技術(shù)通常用來構(gòu)造一個低速的無線傳輸平臺，在該平臺上實(shí)現(xiàn)所需要的系統(tǒng)功能不僅需要依靠其他領(lǐng)域的工程信息化設(shè)備，而且需要通過功能強(qiáng)大的軟件實(shí)現(xiàn)用戶的可運(yùn)用終端。

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