煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李軍

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 電子信息學(xué)院， 陜西， 西安 710300)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類對煤炭的需求量正在逐年上升，每年因煤礦塌方造成的重大事故正在頻繁發(fā)生，因此，國家對于煤炭開采的安全問題十分重視，國家為實(shí)現(xiàn)安全且高效的煤炭開采作出重大舉措。由于煤礦井下環(huán)境惡劣且地形十分復(fù)雜，易造成事故的發(fā)生，為保證工作人員的安全，將建立應(yīng)急救援隊(duì)伍，設(shè)計(jì)煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)，為有效開展應(yīng)急救援工作提供了強(qiáng)有力的幫助，具有重要意義。

1 煤礦井下應(yīng)急救援現(xiàn)狀及問題分析

1.1 煤礦井下應(yīng)急救援現(xiàn)狀

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國當(dāng)前應(yīng)急救援隊(duì)伍的人數(shù)正在逐年上漲，隨著煤礦災(zāi)變的類型不斷改變，人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失同步上漲，目前，為改變這一現(xiàn)狀，我國政府將為應(yīng)急救援隊(duì)伍提供相應(yīng)的救援設(shè)備，并且隨著救援技術(shù)的不斷創(chuàng)新，在極大程度上降低了應(yīng)急救援隊(duì)伍的工作強(qiáng)度，有利于促進(jìn)我國的救援效率，從而挽救煤礦工人的生命以及減少經(jīng)濟(jì)上損失，防止災(zāi)害事故向著不可逆轉(zhuǎn)的方向發(fā)展。應(yīng)急救援隊(duì)伍在救援過程中需要極強(qiáng)的通訊信號與地面進(jìn)行溝通，強(qiáng)大的通信設(shè)備有利于工作人員對井下事故進(jìn)行精準(zhǔn)定位，促進(jìn)工作效率的同時，強(qiáng)化救援隊(duì)伍的開展情況[1]。

1.2 煤礦井下應(yīng)急救援問題分析

我國當(dāng)前的煤礦井下應(yīng)急救援系統(tǒng)仍存在多種問題，其災(zāi)害多發(fā)的主要原因有多方面因素，主要包括工作人員對于應(yīng)急救援方案的預(yù)測不合理或者不完善，造成事故發(fā)生后應(yīng)急救援隊(duì)伍不能在第一時間實(shí)施救援，導(dǎo)致事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，除此之外，應(yīng)急救援隊(duì)伍的指揮中心在事故發(fā)生時未能在此次救援工作中起到主導(dǎo)地位，此種作用力將造成救援隊(duì)伍的工作范圍較廣，具有一定的盲目性。在眾多影響因素之中應(yīng)急通信系統(tǒng)的不完善處于核心因素，應(yīng)急通信系統(tǒng)的不完善造成救援隊(duì)伍無法對事故地點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，系統(tǒng)上傳信息較慢限制救援隊(duì)伍工作的高效開展，并且，當(dāng)前的應(yīng)急通信系統(tǒng)故障率頗高，極易受外界因素的影響，從而造成系統(tǒng)的短路現(xiàn)象，該現(xiàn)象不僅增加了檢修維護(hù)成本，還在極大程度上浪費(fèi)人力物力，為此本文將針對該項(xiàng)技術(shù)難題，增加了ZigBee技術(shù)，通過該項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)的無線通信系統(tǒng)將在極大程度上攻克這一難題。

2 ZigBee無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZigBee無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由分為三方面，分別是地面監(jiān)控系統(tǒng)、井下信息接收系統(tǒng)以及井下信息傳輸系統(tǒng)，三大結(jié)構(gòu)相輔相成，形成龐大的ZigBee無線通信系統(tǒng)，其中地面監(jiān)控系統(tǒng)在該通信系統(tǒng)中的主要作用是通過在上位機(jī)內(nèi)安裝監(jiān)視軟件以及擴(kuò)音器，有利于收集井下救援人員的工作畫面，并實(shí)時顯示，維持救援人員與地面工作人員的有效溝通。而井下信息接收系統(tǒng)具有一定的錄像功能，可以將井下工作人員錄制的影像上傳至地面，實(shí)現(xiàn)可視化定位，并具有精準(zhǔn)的對話功能，有利于救援任務(wù)的順利進(jìn)行。井下信息傳輸系統(tǒng)的核心功能主要依靠PLC控制器進(jìn)行信號接收并處理，PLC控制器的應(yīng)用可以將無線網(wǎng)絡(luò)交換站建立于地下，當(dāng)事故發(fā)生時，應(yīng)急救援人員可在通信系統(tǒng)被破壞的情況下，重新建立通信系統(tǒng)，有利于應(yīng)急救援人員在第一時間攜帶救援設(shè)備進(jìn)入事故發(fā)生地帶實(shí)施精準(zhǔn)救援，除此之外，當(dāng)井下未發(fā)生事故時，PLC控制器可作為該工作的支架頂梁，具有重要作用[2]。

2.2 ZigBee無線通信系統(tǒng)工作原理

ZigBee無線通信系統(tǒng)的主要工作原理是通過PLC控制器與通信系統(tǒng)的相互協(xié)作，將數(shù)據(jù)信息上傳至指揮中心主機(jī)系統(tǒng)，該技術(shù)的應(yīng)用可將人員的具體位置、數(shù)量以及人員位置移動的情況精準(zhǔn)上傳至主機(jī)系統(tǒng)顯示器，有利于救援人員及時進(jìn)行相關(guān)救援工作。當(dāng)煤礦井下發(fā)生重大事故時，地面工作人員可以根據(jù)被困人員通過定位儀傳出的求救信號進(jìn)行相關(guān)操作，生成的數(shù)據(jù)信息將通過工業(yè)千兆以太網(wǎng)上傳至指揮中心，并通過可視化定位儀進(jìn)行影像錄制與呼叫，指揮中心可以通過接收的影像信息高效開展救援指揮工作。

3 井下救援系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)及總體方案

3.1 工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)

工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)是近幾年新興的基于數(shù)字式的串行通信技術(shù)，主要以微控制器作為該技術(shù)的核心部分，具有一定的容納性以及靈敏的活動性和強(qiáng)大的穩(wěn)定性等優(yōu)勢，可以隨著環(huán)境的變化而做出適當(dāng)改變，并且CAN總線技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)全自動化發(fā)展，將用于各大工業(yè)領(lǐng)域。除此之外，當(dāng)井下救援系統(tǒng)在信息傳輸過程中發(fā)生碰撞時，CAN總線技術(shù)將通過碰撞等級采取非破壞性仲裁技術(shù)進(jìn)行優(yōu)先發(fā)送，為保證因CAN總線節(jié)點(diǎn)自身出現(xiàn)的問題而導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常使用，CAN總線節(jié)點(diǎn)將自動關(guān)閉該功能，從而達(dá)到其他節(jié)點(diǎn)不受影響的目的，將其應(yīng)用于井下救援系統(tǒng)有利于井下通信系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展[3]。

3.2 短距離無線通信技術(shù)

隨著科技的不斷發(fā)展，短距離無線通信技術(shù)正處于不斷進(jìn)步的過程中，其中ZigBee無線通信技術(shù)憑借自身優(yōu)越的協(xié)議分層結(jié)構(gòu)成為短距離無線通信技術(shù)中的核心組成，ZigBee無線通信技術(shù)不同于其他網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的結(jié)構(gòu)，具有層級劃分的優(yōu)勢，將網(wǎng)絡(luò)通信各個層級之間的關(guān)系形成獨(dú)立且相互關(guān)聯(lián)的復(fù)合形式。由于ZigBee無線通信技術(shù)具有可以針對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化進(jìn)行自動組織，維持系統(tǒng)正常運(yùn)行等優(yōu)勢，將在一定程度上改變傳統(tǒng)通信技術(shù)遠(yuǎn)距離、高消耗、高速率、高成本以及復(fù)雜程度高的劣勢，成為煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。

3.3 井下救援系統(tǒng)的需求分析及方案設(shè)計(jì)

基于ZigBee無線通信技術(shù)的煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)可以通過礦難發(fā)生的重大程度，迅速建立應(yīng)急救援工作，將CAN總線技術(shù)與ZigBee無線通信技術(shù)充分結(jié)合，構(gòu)成強(qiáng)大且穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)分布站，由于井下環(huán)境狹窄且復(fù)雜，造成應(yīng)急救援隊(duì)伍不能迅速建立通信線路，因此，將ZigBee無線通信技術(shù)作為環(huán)境參數(shù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)采集，形成延伸排布，有利于網(wǎng)絡(luò)路由器進(jìn)行容量擴(kuò)展，地面指揮中心可以通過節(jié)點(diǎn)信息以及RSSI算法獲取人員位置信息進(jìn)行救援。為保證井下救援系統(tǒng)的順利開展，將針對通信分站、ZigBee無線通信終端采集節(jié)點(diǎn)以及系統(tǒng)防爆裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中通信分站將作為井下救援系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，通過通信分站可以實(shí)現(xiàn)井下與地面指揮中心的實(shí)時通信，通信分站主要采用將CAN總線與以太網(wǎng)相結(jié)合的新型通信方式，并將生成的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議間的轉(zhuǎn)化，井下通信分站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，為保證分站系統(tǒng)的性能優(yōu)勢，本文將采用STM32F103RC作為該系統(tǒng)的主控制器，為開發(fā)人員提供了巨大便利。ZigBee無線通信終端采集節(jié)點(diǎn)部分將由FFD和RFD進(jìn)行人員定位，F(xiàn)FD和RFD將利用自身優(yōu)勢將生成的數(shù)據(jù)信息上傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，ZigBee節(jié)點(diǎn)可通過聲光報(bào)警系統(tǒng)分析事故等級，促進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為排除井下復(fù)雜環(huán)境對系統(tǒng)造成的影響，傳感器的選擇至關(guān)重要，防止爆炸的發(fā)生，終端參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)如圖2所示。煤礦井下環(huán)境惡劣，屬于高危場所，因此進(jìn)行井下作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)極高，為避免人員以及經(jīng)濟(jì)損害，所有的電路裝置應(yīng)進(jìn)行防爆處理，為達(dá)到防爆要求，本文將針對隔爆外殼進(jìn)行系統(tǒng)分析，最終選中ZL104鋁合金作為隔爆外殼的主要組成成分，該合金符合國家安全防爆標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的防破壞能力。

圖1 井下通信分站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 終端參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)

4 煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 ZigBee無線通信技術(shù)性能分析

井下無線通信模塊將采用ZigBee芯片作為作為該模塊的核心芯片，利用該芯片內(nèi)的CC2530進(jìn)行井下通信數(shù)據(jù)的傳輸與處理，CC2530芯片自身具有2.4 GHz的頻段射頻收發(fā)器，通過CC2530芯片可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳送。ZigBee無線通信系統(tǒng)內(nèi)部主要包含CC2530核心芯片，除此之外，還包含ZigBee協(xié)調(diào)器，該協(xié)調(diào)器在系統(tǒng)中充當(dāng)管理者角色，可通過RF進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，并指令FFD對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體協(xié)調(diào)，使其與路由器具有相同的功能。

4.2 井下環(huán)境參數(shù)采集電路設(shè)計(jì)

煤礦井下環(huán)境極其惡劣，空氣當(dāng)中的主要成分為甲烷，也就是瓦斯爆炸氣體中的重要組成成分，該氣體無色無味，爆炸范圍極大，為保證井下工作人員的安全，監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)在空氣中的甲烷氣體含量大于2%時發(fā)出警報(bào)，提示工作人員迅速撤離當(dāng)前環(huán)境，除此之外，該系統(tǒng)將建立瓦斯?jié)舛炔杉K，檢測可燃?xì)怏w，當(dāng)可燃?xì)怏w接觸檢測元件時，電橋的輸出電壓將與氣體濃度成正比例關(guān)系變化，經(jīng)研究表明瓦斯傳感器內(nèi)進(jìn)入可燃?xì)怏w時，電橋處于失衡狀態(tài)，此時應(yīng)采取恒壓源進(jìn)行供電，采用恒壓源進(jìn)行供電時，輸出不平衡電壓為

U=(Rd+ΔRd)E/(Rc+Rd+ΔRd)-E/2

(1)

則有

U=ΔRdE/2R≈KΔRd

(2)

由上述公式可知，輸出電壓信號與瓦斯?jié)舛瘸示€性輸出，在理想狀態(tài)下，二者將以正比例關(guān)系共存。

除此之外，本文將對氧氣、一氧化碳以及溫度等濃度數(shù)據(jù)采集后形成電路，其中氧氣濃度采集電路將選用ME3-O2本質(zhì)安全型氧氣濃度傳感器，該電路將遵循法拉第定律對電流進(jìn)行檢測，而一氧化碳濃度采集電路將選用ME3-CO本質(zhì)安全型一氧化碳?xì)怏w濃度傳感器進(jìn)行電化學(xué)工作，通過將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的方式使采集電路輸出持續(xù)電流，從而監(jiān)測氣體濃度，并通過處理器進(jìn)行報(bào)警處理。溫度采集電路中的傳感器部分將由DS18B20作為核心傳感器，DS18B20相對于其他型號傳感器，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以有效排除環(huán)境等惡劣因素造成的干擾，為工作人員提供較適宜的環(huán)境溫度，有利于工作效率的提高，當(dāng)溫度較高時，報(bào)警系統(tǒng)將采取措施提醒工作人員迅速撤離，指揮中心將根據(jù)現(xiàn)象迅速采取相應(yīng)的應(yīng)急方案[4]。

4.3 人員位置信息采集模塊

為保證工作人員在井下的安全，本文將通過ZigBee路由器將數(shù)據(jù)信息上傳至參考節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無線通信，并使工作人員攜帶移動節(jié)點(diǎn)，從而對工作人員進(jìn)行定位，有利于系統(tǒng)掌握工作人員的位置信息。通過將ZigBee標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過ZigBee節(jié)點(diǎn)傳輸至ZigBee定位網(wǎng)絡(luò)，形成的距離經(jīng)過三邊定位算法形成位置坐標(biāo)，為避免干擾源對距離造成影響，將建立信號與傳播距離之間的關(guān)系式：

PL(d)=PL(d0)-10nlg(d/d0)+Xp

(3)

其中,d0表示固定節(jié)點(diǎn)到移動節(jié)點(diǎn)的參考距離，d表示測量過程中的實(shí)際距離，n表示信號衰減系數(shù)，PL(d)表示距離移動節(jié)點(diǎn)d處的信號強(qiáng)度，XP表示均值為0、方差為P的高斯隨機(jī)噪聲變量。

通過實(shí)際使用得知，該公式可以進(jìn)一步簡化，經(jīng)過簡化后形成的模型：

PL(d)=PL(d0)-10nlg(d/d0)

(4)

此時d0的數(shù)值為1m時，使Q=PL(d0)，將其帶入式(4)將得到新的RSSI測距公式：

d=10(Q-RSSI)/10n

(5)

4.4 煤礦安全監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

在煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)中維持各級電路的安全性能至關(guān)重要，在煤礦安全監(jiān)測模塊中主要包含報(bào)警裝置界面電路以及電源穩(wěn)壓電路，其中報(bào)警裝置將作為煤礦安全監(jiān)測模塊的核心，該裝置中的檢測元件將針對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超出閾值，系統(tǒng)將自動采取聲光報(bào)警功能，提示工作人員迅速撤離。電源穩(wěn)壓電路模塊的核心功能是降低終端節(jié)點(diǎn)的能源消耗，充分供應(yīng)系統(tǒng)的能源使用量，維持網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止因網(wǎng)絡(luò)故障而造成的事故損害。

5 煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)軟件電路設(shè)計(jì)

5.1 ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建

ZigBee協(xié)調(diào)器將在由大量ZigBee節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)鏈路形成的無線網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)管理者，ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)的流程如圖3所示，通過無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立，建立成功后由ZigBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)上傳至通信分站，經(jīng)過通信分站整合的數(shù)據(jù)將通過以太網(wǎng)上傳至上位機(jī)，最終建立完整的ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的成功建立可將節(jié)點(diǎn)初始化，并在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)檢測無線網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，將檢測到的無線網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)與PAN進(jìn)行對比，若相同，允許設(shè)備入網(wǎng)，并分配相應(yīng)的地址信息，若不同，協(xié)調(diào)器將拒絕設(shè)備加入無線網(wǎng)[5]。

圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)的流程

5.2 井下甲烷濃度采集流程

井下空氣中主要成分為甲烷，本文針對該氣體進(jìn)行傳感器設(shè)置，并將其作為終端節(jié)點(diǎn)的代表，生成的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)信息將作為報(bào)警裝置的重要組成部分，在該裝置中加入ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)通信裝置，將在極大程度上降低終端節(jié)點(diǎn)的電量消耗，甲烷采集程序流程圖如圖4所示，該程序采用CC2530芯片內(nèi)置的ADC轉(zhuǎn)換器針對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過微處理器將甲烷濃度設(shè)定數(shù)值，當(dāng)檢測元件檢測到的甲烷濃度超過閾值，蜂鳴器自動報(bào)警，并將數(shù)據(jù)信息通過以太網(wǎng)上傳至通信分站，數(shù)據(jù)傳輸完畢，重新恢復(fù)休眠狀態(tài)。

圖4 甲烷采集程序流程圖

6 煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)功能測試與實(shí)驗(yàn)

6.1 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)功能測試

為保證煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，將對其進(jìn)行功能測試，測試前，將裝置連接完畢，并使節(jié)點(diǎn)通過RS232轉(zhuǎn)串口工具與主機(jī)進(jìn)行連接，能源供給裝置安裝完畢后，打開上位機(jī)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集并傳輸，測試證明溫度與濕度無明顯變化。為保證工作人員的安全，將針對報(bào)警功能進(jìn)行測試，測試前將上位機(jī)中的溫度報(bào)警裝置閾值進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置成功后，使溫度上升至閾值之上，若報(bào)警記錄中將該數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，表明報(bào)警功能正常。經(jīng)過測試表明該裝置的各部分功能均正常，可以正常運(yùn)行。

6.2 災(zāi)變模擬通信試驗(yàn)

煤礦井下發(fā)生事故后將造成井下塌方，該現(xiàn)象將造成原本安裝完畢的無線通信線路出現(xiàn)損壞，此時指揮中心接收的數(shù)據(jù)信息將受到影響，因此，本次測試將針對節(jié)點(diǎn)被覆蓋后的丟包率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，被覆蓋的的節(jié)點(diǎn)數(shù)目與丟包成正比例關(guān)系，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，數(shù)據(jù)信息將成遞增趨勢發(fā)展，因此，減少丟包率的方式不能有效解決根本問題，應(yīng)采用適當(dāng)機(jī)制達(dá)到高效傳輸?shù)哪康摹?/p>

7 總結(jié)

本文基于ZigBee技術(shù)建立的無線通信系統(tǒng)經(jīng)過測試證明其應(yīng)用效果較好，煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用將在極大程度上提高應(yīng)急救援隊(duì)伍的救援效率，減少人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)上的損害程度，該系統(tǒng)針對環(huán)境中的可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)測分析，根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化采取不同措施進(jìn)行報(bào)警處理，通過本次測試得知，煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)的功能要求，在接下來的研究中，將重點(diǎn)針對傳輸機(jī)制進(jìn)行研究，彌補(bǔ)不足之處。