ZigBee技术及其在矿山中的应用

1．引言
近年来，随着网络和通信技术的发展，人们对无线通信的要求越来越高，短程、低速、廉价的“ZigBee”无线网络技术正逐渐成为关注的焦点。ZigBee技术[1]是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术,也是目前嵌入式应用的一大热点。

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。目前许多公司对于ZigBee技术应用都有一定的研究[2]。

2. ZigBee技术
ZigBee是基于IEEE 802. 15. 4的无线通信协议,它是一种短距离、低功耗协议,专用于小型设备如温度调节装置、照明控制器、镇流器、环境检测传感器与医疗设备等。一个基于ZigBee的无线个域网(WPAN)能持高达254个节点,外加一个全功能器件,即实现双向通讯。

ZigBee技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定ZigBee技术适于承载数据量较小的业务。

2．1 ZigBee 联盟
ZigBee 技术的物理层和链路层主要采用IEE802.15.4标准，而网络层、安全协议、应用文档以及市场推广由ZigBee 联盟[3]负责。ZigBee 联盟成立立于2002年8月, 由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司及荷兰飞利浦半导体公司组成, 如今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。

2．2 ZigBee协议栈
ZigBee 协议栈[4]采用分层结构, 包括: 物理层(PHY Layer)、媒体接入控制层(MAC Layer)、网络层和应用层。如图1所示。



网络层以上协议由ZigBee联盟制定, IEEE组织负责定制PHY 层和MAC 层标准。应用层包括应用对象终端设备和应用接口层, 且最多只能包含31 个应用对象。应用接口层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee 网络层上, 其中包括: 安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现及业务发现。网络层主要考虑采用基于ad2hoc 技术的网络协议, 包含以下功能: 通用的网络层功能, 拓扑结构的搭建和维护, 命名和关联业务, 包含了寻址、路由和安全，有自组织、自维护功能, 以最大程度减少消费者的开支和维护成本。媒体接入控制层协议包括以下功能: 设备间无线链路的建立、维护和取消; 确认模式的帧传送与接收; 信道接入控制; 帧校验; 预留时隙管理; 广播信息管理。

2．3 ZigBee 技术的特点
ZigBee 技术的具有以下特点[5]：
① 低功耗:由于ZigBee 的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee 设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达6 个月到2 年左右的使用时间,其功耗远远小于其它无线设备。
② 成本低: ZigBee 模块的初始成本在6 美元左右,估计很快就能降到115～215 美元,并且ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于ZigBee 也是一个关键的因素。
③ 时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延为30ms ,休眠激活的时延是15ms ,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等) 应用。
④ 网络容量大:一个星型结构的ZigBee 网络最多可以容纳254 个从设备和一个主设备,而且网络组成灵活。
⑤ 可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC 层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
⑥ 安全:ZigBee 提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES - 128 的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

正是这些全新的特点，将使ZigBee技术将在无线数传，无线传感器网络，无线实时定位，射频识别，数字家庭，安全监视，无线键盘，无线遥控器，无线抄表，汽车电子，医疗电子，矿山井下环境监测等方面得到非常广阔的应用。

3．ZigBee在矿山中的应用
利用ZigBee无线网络技术，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。从而，在事故发生前，安全生产监控中心，可以随时掌握井下不同位置的各种安全生产的要素。从而采取积极有效的预防措施；事故发生后，可以掌握事故发生当时，甚至事故发生后相当一段时间内，井下工作人员的具体分布位置，不同位置的瓦斯浓度等情况，从而制定及时有效的抢救措施，并实施有效的现场抢救指挥。

3．1 建立定位网络
根据现场实际需要，沿坑道每隔一定距离（50 - 500米）在坑道顶部设置一个ZigBee网络模块（可采用电池驱动或使用其他电源），同时在其他需要定位和网络连接的地方，也安置一个ZigBee网络模块；为了避免井下环境对无线信号的干扰，所有无线网络模块使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式，而且，每个模块都有接收信号强弱指示功能（RSSI）。

所安置的网络模块将自动组成一个ZigBee通信网络[6]，在布置网络模块的位置时，注意应使每个模块至少可与两个以上的模块进行通信，即避免单线联系以保证ZigBee 网络通信的可靠性。这个通信网络实际就是一个定位网络，每一个网络节点就是一个定位点，不同的是，ZigBee网络节点体积要小得多，耗电也小，而且网络节点之间的通信，不需要使用光纤或通信电缆连接。

3．2 建立移动目标的无线身份码
每一个需要定位的移动目标（例如矿工），都需要随身携带一个无线身份卡，或固定在安全帽上的一个纽扣电池驱动的全封闭的模块约（50 x 40 x 8 mm）大小，每个模块的发射功率小于1mW.
为了增加电池使用寿命，无线身份模块每隔10 – 30 秒发射一个身份码信号。为了避免井下环境对无线信号的干扰，所有无线身份卡模块使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式；该无线身份模块与瓦斯探测传感器等相连，当出现瓦斯超标时，该无线模块可以立即通过ZigBee网络,将报警信号传往监控中心，必要时，将同时启动其它联动的应急设备；

3．3 移动目标位置的确定
当移动目标在不同的位置发射身份码信号时，如果定位精度要求不高，坑道情况比较复杂时，人员密度较高时，则将任何一个接收到该移动目标身份码信息的网络节点位置，当作移动目标位置，这种方法往往需要较小的网络节点间距（例如50米），和较小的无线身份模块的发射功率。

当定位精度要求较高，坑道环境相对简单时，则可使用两点信号强度定位法；即当移动目标在不同的位置发射身份码信号时，处于该移动目标两端的网络节点，因距该移动目标距离远近的不同，所收到的信号强度也不同。 ZigBee网络将把该移动目标身份码，以及在相应的两个网络节点接收到该身份码时的信号强度传往控制中心，通过简单计算，再加上现场实测效正，很容易确定该移动目标的位置。

在使用以上方法定位时，为了进一步提高定位的准确性，还需要对网络节点，移动目标节点收发机的接收灵敏度，和发射功率进行适当的调整。

4.结束语
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。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。