基于ZigBee的煤礦安全監(jiān)控方法研究

楊建林??

摘要：近年來(lái)，煤礦安全事故頻發(fā)，造成重大人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失。提出了一種輕量級(jí)的糅合中間件來(lái)實(shí)現(xiàn)地下物理傳感器設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控自動(dòng)化。首先，在地下煤礦中布置了基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的集群樹(shù)，并借助可視化技術(shù)，創(chuàng)建了不同地下物理傳感器設(shè)備的圖形用戶界面，使得傳感器可以與其他資源輕松結(jié)合。實(shí)驗(yàn)證明，基于ZigBee的煤礦安全監(jiān)控方法能有效地改善采礦業(yè)運(yùn)營(yíng)的效率，對(duì)于提高煤礦整體的開(kāi)采安全水平，具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：ZigBee；煤礦安全監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.09.093

1引言

地下礦山往往如同迷宮般錯(cuò)綜復(fù)雜，其隧道通常有若干公里長(zhǎng)，卻僅有幾米寬。為了完成設(shè)計(jì)及施工要求，煤礦開(kāi)采作業(yè)人員需要在極端條件下工作。地下煤礦開(kāi)采是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)，每年因煤礦開(kāi)采事故而死亡的礦工人數(shù)持續(xù)上升。因此，為了確保煤礦開(kāi)采的安全，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究。2006年，張玉柱通過(guò)GIS技術(shù)研究了煤礦安全信息系統(tǒng)構(gòu)建的需求，并建立了基于GIS的煤礦安全系統(tǒng)模型。2008年，紀(jì)謙超分析了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與需求，并設(shè)計(jì)了基于Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件。同年，崔春香等指出了礦山安全系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集及表達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)，并設(shè)計(jì)了基于礦山地理信息技術(shù)的安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型。2009年，何帥設(shè)計(jì)了基于三維建模技術(shù)的煤礦井巷模型，并提出了不同存儲(chǔ)格式的礦井巷道數(shù)據(jù)提取辦法。2010年，孫彥景等提出了煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)理論，并研制了適用煤炭環(huán)境的綜合接入網(wǎng)卡及環(huán)網(wǎng)防爆交換機(jī)。2012年，喬鋼柱分析了井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，并設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)。2014年，劉東以煤礦作業(yè)人員定位系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。同年，王春玲建立了基于Multi-Agent技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，并優(yōu)化了冗繁數(shù)據(jù)的處理過(guò)程。2015年，焦昊通過(guò)搭建WEB平臺(tái)，在MyEclipse+MySql的開(kāi)發(fā)環(huán)境下，設(shè)計(jì)了煤礦安全監(jiān)控信息管理系統(tǒng)。2016年，楊超宇等分析了煤礦安全監(jiān)控行為識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)際需求，提出了基于視頻的煤礦安全監(jiān)控行為識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用解決方案。2017年，汪叢笑指出了目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中存在的主要問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的升級(jí)改造方案。

然而，地下煤礦主要由隨機(jī)通道和分支隧道組成，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得配置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變得非常困難。因此，本文建立了基于ZigBee的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)多跳傳輸方法改善了系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜隧道結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力，有效地彌補(bǔ)了現(xiàn)有地下有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足。

2ZigBee的概述

2.1ZigBee的簡(jiǎn)介

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、低速率、短延時(shí)、高容量、數(shù)據(jù)通信可靠性高和免執(zhí)照頻段的特點(diǎn)。ZigBee設(shè)備在室內(nèi)一般能覆蓋30-50米的作用范圍，在室外空曠地帶如果不加功率模塊覆蓋范圍可以達(dá)到400米左右。

ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)包括：物理層（PHY）、介質(zhì)接入控制子層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用支持層（APS）、應(yīng)用程序框架（AF）以及ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO），各部分的關(guān)系如圖1所示。

2.2ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星型網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的三種主要組網(wǎng)方式。

星型網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)單跳結(jié)構(gòu)的輻射狀系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)及指令的傳輸由中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)，每一個(gè)子節(jié)點(diǎn)均與中心節(jié)點(diǎn)直接相連，并進(jìn)行雙向通信，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。一旦子節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，中心節(jié)點(diǎn)的工作負(fù)荷大大增強(qiáng)，導(dǎo)致丟包和堵塞等網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的發(fā)生，故星型網(wǎng)絡(luò)不適合大規(guī)模的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由多個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)組成的多跳結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，能覆蓋更大的工作范圍，但其穩(wěn)定性較差。由圖3可知，樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間只有一條傳輸路徑，一旦發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致局部網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，故樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)適合穩(wěn)定環(huán)境下的較大規(guī)模無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均與多個(gè)節(jié)點(diǎn)相連，通過(guò)各自的算法選擇最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸路徑，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示。

3基于ZigBee的地下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)布置

煤礦井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅需要具有較高的系統(tǒng)可靠性和魯棒性，還能突破礦工效率的局限性?？紤]到煤礦環(huán)境復(fù)雜，本文選擇在井下布置了一個(gè)基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示。

每個(gè)ZigBee路由器及其周邊設(shè)備被視為一個(gè)相應(yīng)的集群，集群可以作為一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)運(yùn)行。該網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)控中心的節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)者，是一個(gè)標(biāo)識(shí)符為零的集群頂點(diǎn)。集群頂點(diǎn)不僅可以管理內(nèi)部的集群節(jié)點(diǎn)，還可以通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心傳輸信息。因此，其通信和功率容量明顯高于電池供電集群。集群節(jié)點(diǎn)配備甲烷傳感器，濕度傳感器和其他傳感器。但是，它的計(jì)算能力很低，在無(wú)線電帶寬和電池容量方面存在很大的局限性。因此，為了傳輸他們感知的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)離集群頂點(diǎn)的集群節(jié)點(diǎn)必須選擇合適的路由。

例如，相鄰節(jié)點(diǎn)可以將數(shù)據(jù)逐個(gè)傳輸?shù)郊喉旤c(diǎn)。為了便于部署的組合，初始化網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)固定節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該有一個(gè)固定的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（PAN ID），并通過(guò)廣播將信標(biāo)的幀發(fā)送到另一個(gè)相鄰的設(shè)備。然后，接收到信標(biāo)幀的候選設(shè)備可以被應(yīng)用到集群頂點(diǎn)。如果集群頂點(diǎn)被允許加入網(wǎng)絡(luò)，則將子節(jié)點(diǎn)放入其鄰居表中，同時(shí)設(shè)備將集群頂點(diǎn)作為其鄰居表中的父節(jié)點(diǎn)，成為網(wǎng)絡(luò)的從屬節(jié)點(diǎn)。一旦網(wǎng)絡(luò)容量達(dá)到一定的限制，集群頂點(diǎn)就會(huì)將從設(shè)備指定為新集群網(wǎng)中的另一個(gè)集群頂點(diǎn)，并且可以加入更多的節(jié)點(diǎn)。因此，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都可以最終加入網(wǎng)絡(luò)。

作為網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)設(shè)備，協(xié)調(diào)員負(fù)責(zé)啟動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。然后，網(wǎng)絡(luò)將被構(gòu)建，網(wǎng)絡(luò)層從所有兼容的信道中選擇一個(gè)空閑信道，并分配一個(gè)新的ID。之后，無(wú)線監(jiān)控狀態(tài)開(kāi)始。上述操作可以用圖6（1）所示的流程圖來(lái)說(shuō)明。對(duì)于路由器節(jié)點(diǎn)，主要有以下功能：發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，選擇適當(dāng)?shù)穆酚善?，為網(wǎng)絡(luò)的子設(shè)備分配地址，傳遞環(huán)數(shù)據(jù)，離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)等。工作流程如圖6（2）所示。最后，終端節(jié)點(diǎn)可以獲取地下人員的生理信息，并將信息進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)。緊接著，數(shù)據(jù)被發(fā)送到父節(jié)點(diǎn)，并且來(lái)自父節(jié)點(diǎn)的指令可以被反饋。其工作流程如圖6（3）所示。

位置節(jié)點(diǎn)是一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，可以在參考節(jié)點(diǎn)所包圍的區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng)。位置節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)可以通過(guò)定位算法根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在目標(biāo)位置區(qū)域的所有RSSI值來(lái)計(jì)算。如圖7所示，該區(qū)域由四個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成，其中包含兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)Beacon Node BNi（BN1，BN2，BN3，BN4）和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)Ci（C1）。特別地，任何兩個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離是已知的，并且移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以接收來(lái)自至少三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的廣播分組。在這種情況下，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)接收到的信標(biāo)廣播分組和附加信息來(lái)選擇最強(qiáng)能量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。這里，選擇BN2作為信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)域參考節(jié)點(diǎn)，并且Dbi（d32，d22，d12）和Dbi（D12，D22，D32）是實(shí)際距離和從參考節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)的測(cè)量距離節(jié)點(diǎn)，分別。 C1被附加到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)BN2，并且它僅接收用于從節(jié)點(diǎn)BN2及其相鄰信標(biāo)節(jié)點(diǎn)BN1和BN3的廣播信息。Ci（C1，C2，C3）為從C1到BN2的距離，BN3為RSSI衰減。為了得到未知節(jié)點(diǎn)C1的位置信息，從移動(dòng)從節(jié)點(diǎn)BN2到相鄰信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（BN3，BN1）可以計(jì)算如下：

從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的差異校正因子的距離可以表示為

，其中是從移動(dòng)從屬節(jié)點(diǎn)到相鄰信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的差分距離的平均值。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離可以修正為：

根據(jù)上述公式，可以計(jì)算出修正距離CN1，CN2，CN3。結(jié)合三角定位算法，可以得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的二維坐標(biāo)信息。

考慮到監(jiān)控中心與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換，大部分?jǐn)?shù)據(jù)從監(jiān)控節(jié)點(diǎn)流向監(jiān)控中心，然后監(jiān)控中心發(fā)送命令數(shù)據(jù)至設(shè)備。在這個(gè)過(guò)程中，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換很少。因此，可以基于這些特征的組合來(lái)優(yōu)化路由算法。為了將數(shù)據(jù)直接沿著群集樹(shù)發(fā)送到監(jiān)控中心，需要向上的垂直路由，而向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)到沿著群集樹(shù)的節(jié)點(diǎn)也需要向下的垂直路由。同時(shí)，少量監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換需要啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)和選擇。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層從上層收到數(shù)據(jù)時(shí)，有必要判斷它是否是廣播幀。如果是這樣，根據(jù)廣播幀的處理開(kāi)始處理數(shù)據(jù)，具體參照Z(yǔ)igBee協(xié)議。然后，網(wǎng)絡(luò)層決定是否將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。如果是這樣，數(shù)據(jù)將作為下一跳路由直接發(fā)送到父節(jié)點(diǎn)；若沒(méi)有，數(shù)據(jù)將通過(guò)下一個(gè)已知的跳轉(zhuǎn)路由發(fā)送。如果節(jié)點(diǎn)不具備路由發(fā)現(xiàn)能力或者無(wú)法執(zhí)行路由選擇，則仍沿著樹(shù)進(jìn)行路由。如果數(shù)據(jù)從監(jiān)控中心發(fā)送到監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，則需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線，以便固定節(jié)點(diǎn)查看自己的PAN ID。如果是正確的，則垂直向下路由可以沿著群集樹(shù)跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

4結(jié)論與展望

本文構(gòu)建了基于ZigBee的地下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一了設(shè)備訪問(wèn)框架，創(chuàng)建了不同地下物理傳感器設(shè)備的圖形用戶界面，使得傳感器可以與其他資源輕松結(jié)合。實(shí)驗(yàn)證明，基于ZigBee的煤礦安全監(jiān)控方法能有效地改善采礦業(yè)運(yùn)營(yíng)的效率，提高煤礦整體的開(kāi)采安全水平，為地下礦山的決策和實(shí)時(shí)控制提供了有力的支持。

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