基于無線傳感網絡的煤礦綜合監測系統

摘要：從人員安全的角度出發，通過使用傳感器對礦井溫濕度、瓦斯氣體濃度以及礦工位置的實時監測，并利用成熟的無線傳感網絡通信技術和工業無線通信設備，構成煤礦綜合監測系統，實現對煤礦井下作業的安全保證。
關鍵詞：無線傳感網絡；溫濕度傳感器；瓦斯傳感器；簇狀網絡

我國作為世界產煤大國，煤礦產量占世界35％。但我國同時也是礦難大國，因礦難的死亡人數竟占世界的80％，煤礦百萬噸死亡率是美國的100倍、南非的30倍。這其中大多是因為瓦斯爆炸引起的，嚴重威脅著礦工的生命安全。因此煤礦都需要建立完善的自動監測、預警系統，對礦井中的瓦斯、一氧化碳等易燃易爆氣體含量以及溫度、濕度等重要參數及時掌握，保證工作環境的安全。
目前傳統的管理方式基本都是靠工作人員實地觀測并通過對講機等通訊設施，人工向監控中心匯報情況，安全性和實時性都較差，還可能造成無法發現、漏報、遲報等危險。因此基于各種網絡的自動監測系統成為了煤礦安全生產發展的方向。
國內目前在礦區使用的較成熟的監測系統，大多采用有線方式，如KJF2000、KJ4／KJ2000等系統。但有線系統存在著布線麻煩、設備無法隨意移動、難以進行人員跟蹤定位等缺點。因此基于無線傳感網絡的無線監測系統成為了目前研究和應用的重點，但這些系統大多處于研究階段，相關現場設備大多是自主研發的樣機，可靠性和實用性不高，而且往往功能單一。
本文通過對成熟的無線傳感網絡設備和各種現場傳感器的集成應用，實現對煤礦作業現場的溫濕度、瓦斯濃度以及人員定位等重要信息的實時監測，具有系統開發難度低、可靠性高、功能全面等特點。

1 無線傳感網絡及設備
隨著計算機、通信和網絡技術的飛速發展，無線傳感網絡應運而生。工業無線網絡是從新興的無線傳感器網絡發展而來的，具有低成本、低功耗、高度靈活性、擴展性強等特點，已經成為繼現場總線技術后的又一個研究熱點，文獻對于工業無線網絡的現狀和發展趨勢進行了研究和對比。考慮到Zigbee技術應用的廣泛性和成熟性，因此該項目采用Disi公司基于Zigbee協議的工業用ConnectPort X網關及XBee ZB適配器產品。
1．1 Zigbee無線傳感網絡通信協議
Zigbee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據傳輸率、低成本的雙向無線通信技術，由IEEE 802．15．4和Zigbee聯盟共同制定。Zi gbee技術廣泛應用于各種短距低速的場合，如醫療護理、汽車自動化、農業自動化和遙測遙控等。Zigbee的網絡設備通常分為三類：中心協調器(PAN Coordinatox)、路由器(Router)和終端節點(End Device)。其中前兩類具有路由功能，可組成全Mesh網絡拓撲結構。而終端節點不具有路由功能，只能與中心協調器或路由器單跳連接，組成星型網絡。終端節點的優勢是可以進入休眠模式，以降低功耗。由這三類設備可組成各種不同的網絡拓撲結構，如圖1所示。

作為全球Zigbee和數傳領域的領跑者，美國Digi公司擁有完整的Zigbee產品和解決方案。其中加強型Zigbee系列(XBee Pro)室外可視距離達到1．6 km，最大傳輸速率250 kbps，支持最新的Zigbee Pro協議，參數可配置，可組成任意網絡拓撲結構，具有網絡安全加密、路由／終端節點自動加入網絡、信道跳頻等特點。并且作為工業級產品，具有較高的可靠性和工業應用價值。
1．2 ConnectPort X網關
ConnectPort X網關為無線XBee網絡上的終端設備提供IP網絡連接。網關采集終端節點數據，處理后通過以太網、Wifi或無線蜂窩連接發送到上級應用。可選多種配置。同時內置Python開發環境，使用戶可以在網關中實現應用的定制，支持不同應用。
ConnectPort X網關具有連接狀態及信號強度等指示，采用4”全向天線，通過10／100Mbps自適應RJ-45以太網端口實現與上級計算機的連接。采用工業金屬外殼設計，6～30VDC輸入電壓，安全性和電磁兼容性／抗擾度達到國際標準。
1．3 XBee ZB適配器／傳感器
XBee ZB適配器通過一系列可供靈活選擇的物理接口，與智能電子設備進行連接，使這些智能電子設備具有了符合Zigbee協議的無線通信能力。所提供的可選物理接口包括RS-232、RS-485、數字量I／O和模擬量I／O等。這些適配器有多種配置和定制選項供用戶選擇，以滿足不同應用的需求。它是傳感器、控制器、其它有線應用和有通用接口設備無線聯網的理想選擇。
XBee ZB傳感器集成了環境溫度、光強和濕度測量功能，溫度測量范圍-18℃～55℃，光譜帶寬范圍360～970 nm，濕度測量范圍0～100％RH，電池供電，便于攜帶。
XBee—PRO ZB系列的發射功率達+17 dBm，接收靈敏度-102 dBm；采用IP66外殼，達到三防效果；輸入電壓范圍3．7～6VDC和9～30VDC可選，支持外接電源或電池供電，并可配置為中心協調器、路由節點和終端節點中的任意一種。