中北大學(xué)學(xué)位論文 基于無(wú)線(xiàn)光纖混合傳感網(wǎng)絡(luò)的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)研究 摘要 我國(guó)是一個(gè)以煤為主的能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，煤炭的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用與我國(guó)社會(huì)發(fā)展和 人民生活密不可分，但是近年來(lái)我國(guó)煤礦事故頻繁發(fā)生，使得煤炭的安全生產(chǎn)一直倍受 人們的關(guān)注?，F(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)大多是以工業(yè)總線(xiàn)為基礎(chǔ)構(gòu)成的有線(xiàn)通信傳輸網(wǎng) 絡(luò)，隨著煤礦開(kāi)采掘進(jìn)而帶來(lái)的管道延伸問(wèn)題，單純采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足安全生 產(chǎn)的需要，無(wú)線(xiàn)光纖混合傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為我們提供了解決問(wèn)題的方案。 z i g b e e 技術(shù)，作為一種新出現(xiàn)的無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，以其協(xié)議簡(jiǎn)單、成本低、功耗 低、組網(wǎng)容易等特點(diǎn)，非常適用于要求低成本、低功耗的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)。本文以z i g b e e 技術(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)實(shí)際煤礦安全環(huán)境的需求，對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)在井下安全監(jiān)控系統(tǒng)中的 應(yīng)用進(jìn)行了研究，同時(shí)根據(jù)國(guó)內(nèi)外井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，結(jié)合我國(guó)中小煤礦的企業(yè) 的安全生產(chǎn)要求，提出了一種基于z i g b e e 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)與光纖網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，集多參數(shù)井 下安全監(jiān)控和人員定位于一體的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由井下各分巷道中的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及連接無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和地面監(jiān)控機(jī)的光纖 網(wǎng)絡(luò)組成。其中無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)由以x b e ep r o 無(wú)線(xiàn)通信芯片和單片機(jī)為核心的無(wú)線(xiàn)信標(biāo)節(jié)點(diǎn) 和人員佩戴的便攜節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)將由傳感器得到的井下環(huán)境參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上 傳給地面監(jiān)控機(jī)，同時(shí)根據(jù)節(jié)點(diǎn)間信號(hào)傳輸?shù)膔 s s i 值對(duì)人員進(jìn)行定位。地面監(jiān)控機(jī)實(shí) 時(shí)顯示這些環(huán)境參數(shù)和人員位置信息，如有數(shù)據(jù)超限則觸發(fā)報(bào)警通知工作人員進(jìn)行處 理。 最后，在封閉的樓道中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，取得了滿(mǎn)意的效果，證明了該系統(tǒng)的 可行性。 關(guān)鍵詞： 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，z i g b e e ，安全監(jiān)控，x b e e p r o ，r s s i ，混合網(wǎng)絡(luò) 中北大學(xué)學(xué)位論文 ，盯o 11 一 一 lh er e s e a r c h0 nu n d e r g r 0 u n am o n i t o r i n gs y s t e ml o rs a l e t vb a s e d o nw i r e l e s sa n d o p t i c a lf i b e rh y b r i dn e t , r k s s e n s i n gh y b r i dn e t w o r k s a b s t r a c t t h ec o a li sam a j o re n e r g yw h i c hu s e di np r o d u c i n ga n dc o n s u m i n gi no u rc o u n t r y t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc o a li si n s e p a r a b l ef r o ms o c i a ld e v e l o p m e n ta n dp e o p l e sl i v e s h o w e v e r , t h ec o a lm i n ea c c i d e n t sa r ef r e q u e n t l yh a p p e n e di nr e c e n ty e a r sw h i c hm a k et h e s a f e t yo fc o a lp r o d u c t i o nb em u c ha t t e n t i o n t h ee x i s t i n gm i n es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m sa r e m o s t l yb a s e do ni n d u s t r yb u sw i r e dc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o nn e t w o r k s ，s ot h ep i p e l i n e e x t e n s i o nw o u l db ead i f f i c u l t yw i t l lc o a lm i n i n ga n de x c a v a t i o n t h ec a b l en e t w o r k sc a nn o t m e e tt h en e e d so fp r o d u c t i o ns a f e t y , s oaw i r e l e s sa n do p t i c a lf i b e rs e n s i n gh y b r i dn e t w o r k m a yb ea na l t e r n a t ec h o i c et ot h i sd i f f i c u l t y z i g b e et e c h n o l o g y , a sar e c e n t l ye m e r g i n gw p a nc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , h a ss o m e c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss i m p l ea g r e e m e n t ，l o wc o s t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，e a s yt on e t w o r k ， w h i c hm a k e si ts u i t a b l ef o ra p p l y i n gi nl o w - c o s t ，l o w - p o w e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h ez i g b e et e c h n o l o g ya n da i m e da tt h en e e d so ft h er e a lc o a ls a f e t y e n v i r o n m e n t ，t h ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki nt h em i n em o n i t o r i n gs y s t e m si s s t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t yo fm i n em o n i t o r i n gs y s t e m sa n dt h es a f e t yp r o d u c t i o nn e e d so f d o m e s t i cs m a l la n dm e d i u m - s i z e dm i n ee n t e r p r i s e s ，t h e d e s i g n p r o p o s a lc o m b i n i n gt h e p a r a m e t e rm o n i t o r i n gs y s t e mw i t ht h ep e r s o n a ll o c a t o ra n db a s e do nt h ez i g b e et e c h n o l o g y a n dw i r e l e s sf i b e rn e t w o r ki sp u tf o r w a r d t h ee n t i r em o n i t o rn e t w o r ki sc o m p o s e do fu n d e r g r o u n dw i r e l e s sn e t w o r ka n do p t i c a lf i b e r n e t w o r kw h i c hc o n n e c t e dt h ew i r e l e s sn e t w o r ka n dt h em o n i t o r i n gc o m p u t e r t h ew i r e l e s s m e s hn e t w o r ki sc o m p o s e do ft h ef i x e d - n o d e sw h i c hb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h i p s a n ds i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra n dt h ep o r t a b l en o d e s a l ln o d e su p l o a dt h ee n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sb e i n gs a m p l e db yt h es e n s o rt ot h em o n i t o r c o m p u t e r st h r o u g ht h en e t w o r k a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e ml o c a t e st h ep o s i t i o no fm i n e r s 中北大學(xué)學(xué)位論文 b yr s s iv a l u eb e t w e e nt h en o d e s t h em o n i t o rc o m p u t e rs h o w st h ee n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s a n dt h ep e r s o n n e ll o c a t i o ni nr e a lt i m e i fs o m ep a r a m e t e r se x c e e dl i m i t s ，t h es y s t e mw i l lg i v e w a r n i n gi n f o r m a t i o nt ot h es t a f ft od e a l 、析t ht h ep r o b l e m s f i n a l l y , t h es y s t e mh a sb e e nt e s t e di nas e a lc o r r i d o ra n dt h er e s u l t sh a v eb e e nt e s t i f i e dt h e f e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k ，z i g b e e ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，x b e e _ p r o ，r s s i ，h y b r i dn e t w o r k 中北大學(xué)學(xué)位論文 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含 其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的科研成果。對(duì)本文的研究作出重要貢 獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人 承擔(dān)。 論文作者簽名：墨l 蘭髯一 關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解中北大學(xué)有關(guān)保管、使用學(xué)位論文的規(guī)定，其中包括： 學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門(mén)送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；學(xué)校可 以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文；學(xué)?？稍试S學(xué) 位論文被查閱或借閱；學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位 論文；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容( 保密學(xué)位論文在解密 后遵守此規(guī)定) 。 簽名： 導(dǎo)師簽名： 日i t t l ：芝z ：丑日：沙l 工 b l i t l ：乒l 一 中北大學(xué)學(xué)位論文 1 1 課題的目的與意義 1 引言 我國(guó)是世界煤炭生產(chǎn)大國(guó)，產(chǎn)量占世界的百分之三十一，同時(shí)煤炭作為我國(guó)的基本 能源和重要材料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的戰(zhàn)略地位。在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中， 煤炭占我國(guó)一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的7 0 左右，并且在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)煤炭仍將 是我國(guó)的主要能源，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)將難以改變。 然而，我國(guó)煤礦與世界各主要產(chǎn)煤國(guó)家比較，不僅地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，以井工開(kāi)采 為主，而且自然災(zāi)害也較為嚴(yán)重。煤礦下自然環(huán)境復(fù)雜，存在多種安全隱患。特別是中 小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦和私人煤礦，由于安全生產(chǎn)設(shè)備落后、安全生產(chǎn)意識(shí)不夠、沒(méi)有建立一套 完整的安全生產(chǎn)管理體系，安全生產(chǎn)狀況令人擔(dān)憂(yōu)。近年來(lái)，我國(guó)煤礦事故頻繁發(fā)生， 輕則造成經(jīng)濟(jì)損失，重則人員傷亡，安全問(wèn)題己經(jīng)成為煤礦生產(chǎn)的瓶頸。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示， 我國(guó)煤礦的百萬(wàn)噸死亡率是美國(guó)的1 0 0 倍，是同為發(fā)展中國(guó)家的印度的1 0 倍，安全生 產(chǎn)事故造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到2 5 0 0 多億元【1 , 2 , 3 1 ，這種情況不僅直接影響了國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和 社會(huì)發(fā)展，同時(shí)也對(duì)煤礦工作者造成了巨大的心理負(fù)擔(dān)。近年來(lái)，隨著煤炭產(chǎn)量的逐年 增加，煤礦安全生產(chǎn)事故又有進(jìn)一步提升的趨勢(shì)。為此，我國(guó)領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)和普通民眾對(duì)煤 礦安全生產(chǎn)越來(lái)越重視，煤礦安全監(jiān)控設(shè)備的研究已經(jīng)成為近年來(lái)國(guó)家大力扶持及發(fā)展 的項(xiàng)目之一【4 5 j 。 要解決煤礦安全生產(chǎn)問(wèn)題，不僅要建立合理的管理制度、完善的規(guī)章法則，更要有 先進(jìn)的安全監(jiān)控設(shè)備及技術(shù)平臺(tái)。需要2 4 小時(shí)對(duì)井下環(huán)境參數(shù)及工作人員狀況進(jìn)行監(jiān) 控，方便管理者對(duì)井下設(shè)備及人員進(jìn)行調(diào)整，一旦發(fā)生事故，可以引導(dǎo)礦工及時(shí)撤離現(xiàn) 場(chǎng)，并為井上搜救人員提供井下信息輔助搜救。但現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)大都基于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)且 設(shè)備昂貴，不利于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，隨著煤炭開(kāi)采的推進(jìn)，很難及時(shí)將監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)到 開(kāi)采面，不能及時(shí)監(jiān)測(cè)這些危險(xiǎn)區(qū)域的情況，這就成為有線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)存在的最大不足【6 7 l 。 因此，開(kāi)發(fā)一種基于無(wú)線(xiàn)光纖混合網(wǎng)絡(luò)、造價(jià)低廉、維護(hù)簡(jiǎn)單的煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng) 有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。 中北大學(xué)學(xué)位論文 本課題來(lái)源于2 0 0 6 年國(guó)際科技合作項(xiàng)目：礦井瓦斯?jié)舛?、溫度監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警傳 感網(wǎng)絡(luò)研究。目的是設(shè)計(jì)一種基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)且適用于我國(guó)中小煤礦的井下安全監(jiān)控系 統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)井下瓦斯?jié)舛?、溫度等環(huán)境參數(shù)，同時(shí)提供井下工作人員的位 置信息，為礦井安全生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)保障。 1 2 井下安全監(jiān)控系統(tǒng)概述 1 2 1 井下安全監(jiān)控系統(tǒng)介紹 井下安全監(jiān)控系統(tǒng)是指由井下監(jiān)控基站及分布在井下各處的節(jié)點(diǎn)和計(jì)算機(jī)組成的 全天。2 4 小時(shí)對(duì)井下瓦斯、溫度、風(fēng)速、一氧化碳、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并運(yùn)用 計(jì)算機(jī)對(duì)采集的參數(shù)進(jìn)行綜合分析，一旦參數(shù)異常則及時(shí)通知操作人員進(jìn)行處理的實(shí)時(shí) 監(jiān)控系統(tǒng)。井下安全監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦工業(yè)化發(fā)展的必然產(chǎn)物，是維護(hù)礦井安全生產(chǎn)與保 護(hù)礦工生命安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。 1 2 2 井下安全監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析 由于我國(guó)工業(yè)化起步相對(duì)落后，因此我國(guó)的安全監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚。直到8 0 年代 初期我國(guó)才從美國(guó)、波蘭、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)了一批安全監(jiān)控系統(tǒng)，其中包括t f 2 0 0 、 m i n o s 等當(dāng)時(shí)較成熟的產(chǎn)品。隨著這些系統(tǒng)的在我國(guó)煤礦的應(yīng)用，通過(guò)消化吸收，國(guó) 內(nèi)一些公司逐漸研發(fā)出k j 2 、k j 4 、k j 8 等對(duì)系列監(jiān)控系統(tǒng)，并在我國(guó)的大中型煤礦得 到了大量的應(yīng)用。隨后國(guó)內(nèi)些科研機(jī)構(gòu)又在這些系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，研發(fā)出k j 9 2 、 k j 9 5 、k j l 0 1 、k j g 2 0 0 0 等系列產(chǎn)品【8 】。這些產(chǎn)品的特點(diǎn)是在原有基礎(chǔ)上測(cè)控分站的智 能化水平有了進(jìn)一步的提高，整個(gè)系統(tǒng)具有有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接功能，由于大都采用了 w i n d o w s 操作系統(tǒng)使得操控難度進(jìn)一步下降。目前，我國(guó)煤礦使用的監(jiān)控系統(tǒng)多達(dá)十幾 種，很好地改善了我國(guó)煤礦的安全狀況1 9 j 。 分析目前正在使用的監(jiān)控系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸方面絕大多數(shù)煤礦采用有線(xiàn)電纜方式來(lái) 進(jìn)行通訊，但這些傳統(tǒng)的布線(xiàn)方式存在著明顯的缺陷： 1 ) 布線(xiàn)繁瑣，安裝維護(hù)成本大 監(jiān)控系統(tǒng)所需的大量光纜、電纜價(jià)格不菲，此外在復(fù)雜的地下環(huán)境布設(shè)線(xiàn)路同樣需 2 中北大學(xué)學(xué)位論文 要消耗大量的人力物力。 2 ) 覆蓋范圍有限 由于地形環(huán)境復(fù)雜多變，礦井中存在著大量難以布線(xiàn)的區(qū)域，有線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)很難遍 布礦井的各個(gè)地區(qū)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)礦井的全方位監(jiān)測(cè)，為安全生產(chǎn)留下了隱患。 3 ) 線(xiàn)路依賴(lài)性強(qiáng) 有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自我修復(fù)性能較差，局部線(xiàn)路遭到破壞很可能造成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的癱 瘓。特別是發(fā)生爆炸事件時(shí)，線(xiàn)纜往往會(huì)受到致命的破壞，不能為搜救工作及事態(tài)檢測(cè) 提供信息。 考慮到這樣的問(wèn)題，我國(guó)一些新型的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)采用了較為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)通訊 方式，這些系統(tǒng)主要分為兩種方式： 1 ) 感應(yīng)通信：感應(yīng)通信是用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)通信，在巷道中敷設(shè)一條接地的感應(yīng) 傳輸線(xiàn)，收發(fā)信機(jī)采用電磁耦合天線(xiàn)，通話(huà)時(shí)將天線(xiàn)靠在感應(yīng)傳輸線(xiàn)上。它與載波通信 一樣，感應(yīng)通信雜音大，對(duì)環(huán)境中的電氣噪音不易克服，通話(huà)時(shí)藕合天線(xiàn)要十分接近感 應(yīng)線(xiàn)。 2 ) 漏泄通信：漏泄通信技術(shù)是依靠在巷道中架設(shè)一條特制的同軸電纜，每隔一段距 離在電纜上開(kāi)個(gè)槽孔，使其周?chē)纬梢粋€(gè)連續(xù)的電磁波漏泄場(chǎng)。通過(guò)漏泄場(chǎng)，移動(dòng)收發(fā) 信號(hào)與漏泄電纜之間實(shí)現(xiàn)雙向可逆的耦合，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)之間或移動(dòng)臺(tái)與基站之間的 遠(yuǎn)距離通信。雖然漏泄通信技術(shù)較好地解決了井下移動(dòng)通信的問(wèn)題，但其缺點(diǎn)是系統(tǒng)造 價(jià)昂貴，在條件惡劣的采掘工作面、掘進(jìn)頭等場(chǎng)所，無(wú)法架設(shè)漏泄電纜，漏泄電纜的藕 合技術(shù)復(fù)雜，并制約著移動(dòng)臺(tái)的縱向移動(dòng)距離。 為解決漏泄通信、感應(yīng)通信存在的缺點(diǎn)，人們開(kāi)始研究超低頻無(wú)線(xiàn)通信。例如，澳 大利亞國(guó)家礦山技術(shù)開(kāi)發(fā)公司研制的井下無(wú)線(xiàn)通訊急救系統(tǒng)p d e ，采用超低頻信號(hào)傳透 巖層傳輸無(wú)線(xiàn)信號(hào)，可由地面調(diào)度中心尋呼礦井下數(shù)百米深處的工作人員。透地通信的 突出優(yōu)點(diǎn)是抗事故災(zāi)害的能力強(qiáng)，因其信道是大地，不會(huì)因砸碰、頂板塌落、爆炸、火 災(zāi)等情況而損壞，在井下發(fā)生緊急情況時(shí)，能夠迅速有效地與井下人員進(jìn)行通訊。p d e 系統(tǒng)信號(hào)通過(guò)發(fā)射機(jī)將輸出功率放大，以2 5 0 v 和5 a 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)到達(dá)大的環(huán)形天線(xiàn)上， 形成圍繞環(huán)形天線(xiàn)的電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)信號(hào)穿透巖層傳到井下的接收機(jī)。但是，龐大的環(huán) 形天線(xiàn)和收發(fā)裝置，以及強(qiáng)大的電磁場(chǎng)是p d e 明顯的缺點(diǎn)，大同煤炭集團(tuán)公司云崗礦 3 中北大學(xué)學(xué)位論文 布置的天線(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)到9 5 0 r a m ，由于收發(fā)裝置的龐大昂貴，也不可能人手一臺(tái)接收機(jī)。 目前僅作為礦井現(xiàn)有通訊系統(tǒng)的重要補(bǔ)充環(huán)節(jié)，以增強(qiáng)礦井的抗災(zāi)能力。 1 2 3 基于z i g b e e 的無(wú)線(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的提出 針對(duì)上述監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)都存在著這樣那樣的問(wèn)題，人們迫切需要尋找一種集協(xié)議簡(jiǎn) 單、成本低、功耗低、組網(wǎng)容易為一體的新技術(shù)來(lái)替代現(xiàn)有的技術(shù)。針對(duì)這些需求，由 英國(guó)i n v e n s y s 公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭菲利普四家公司在 2 0 0 2 年共同宣布組成z i g b e e 技術(shù)聯(lián)盟。該項(xiàng)技術(shù)及時(shí)填補(bǔ)了這方面的空白，一時(shí)間 z i g b e e 技術(shù)在家用系統(tǒng)控制、樓宇自動(dòng)化、工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域占據(jù)了大量的市場(chǎng)空間。因此， 采用z i g b e e 技術(shù)來(lái)提高煤礦安全無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性就成為我們解決井下安全 問(wèn)題的一個(gè)新的思路【m 1 。 1 3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議z i g b e e 1 3 1 現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涵蓋的范圍很廣，既包括允許用戶(hù)建立遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)連接的全球語(yǔ)音和 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，也包括為近距離無(wú)線(xiàn)連接進(jìn)行優(yōu)化的紅外線(xiàn)技術(shù)及射頻技術(shù)。通常用于無(wú)線(xiàn) 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備包括便攜式計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、手持計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理( p d a ) 、移動(dòng) 電話(huà)、筆式計(jì)算機(jī)和尋呼機(jī)。無(wú)線(xiàn)技術(shù)已成功應(yīng)用于多種場(chǎng)合。與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)一樣，無(wú)線(xiàn) 網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x分為幾種不同類(lèi)型 1 1 , 1 2 , 1 3 】。 1 ) 無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)( w w a n ) w w a n 技術(shù)可使用戶(hù)通過(guò)遠(yuǎn)程公用網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。通過(guò)使用 由無(wú)線(xiàn)服務(wù)提供商負(fù)責(zé)維護(hù)的若干天線(xiàn)基站或衛(wèi)星系統(tǒng)，這些連接可以覆蓋廣大的地理 區(qū)域，例如若干城市或者國(guó)家( 地區(qū)) 。目前的w w a n 技術(shù)被稱(chēng)為第二代( 2 g ) 系統(tǒng)。 2 g 系統(tǒng)主要包括移動(dòng)通信全球系統(tǒng)( g s m ) 、蜂窩式數(shù)字分組數(shù)據(jù)( c d p d ) 和碼分多 址( c d m a ) ?，F(xiàn)在正努力從2 g 網(wǎng)絡(luò)向第三代( 3 g ) 技術(shù)過(guò)渡。一些2 g 網(wǎng)絡(luò)限制了 漫游功能并且相互不兼容：而第三代( 3 g ) 技術(shù)將執(zhí)行全球標(biāo)準(zhǔn)，并提供全球漫游功能。 i t u 正積極促進(jìn)3 g 全球標(biāo)準(zhǔn)的指定。 4 中北大學(xué)學(xué)位論文 2 ) 無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)( w m a n ) w m a n 技術(shù)使用戶(hù)可以在城區(qū)的多個(gè)場(chǎng)所之間創(chuàng)建無(wú)線(xiàn)連接( 例如，在一個(gè)城市 或大學(xué)校園的多個(gè)辦公樓之間) ，而不必花費(fèi)高昂的費(fèi)用鋪設(shè)光纜、銅質(zhì)電纜和租用線(xiàn) 路。此外，當(dāng)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的主要租賃線(xiàn)路不能使用時(shí)，w m a n 還可以作備用網(wǎng)絡(luò)使用。 w m a n 使用無(wú)線(xiàn)電波或紅外光波傳送數(shù)據(jù)。為用戶(hù)提供高速i n t e m e t 接入的寬帶無(wú)線(xiàn) 接入網(wǎng)絡(luò)的需求量詎日益增長(zhǎng)。盡管目前正在使用各種不同技術(shù)，例如多路多點(diǎn)分自j 服 務(wù)( m m d s ) 和本地多點(diǎn)分和服務(wù)( l m d s ) ，但負(fù)責(zé)制定寬帶無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)的i e e e 8 0 2 1 6 工作組仍在開(kāi)發(fā)規(guī)范以便實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。 3 ) 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)( w l a n ) w l a n 技術(shù)可以使用戶(hù)在本地創(chuàng)建無(wú)線(xiàn)連接( f f t j 女n ，在公司或校園的大樓早，或在 某個(gè)公共場(chǎng)所，如機(jī)場(chǎng)) 。w l a n 可用于臨時(shí)辦公室或其他無(wú)法大范圍布線(xiàn)的場(chǎng)所，或者 用于增強(qiáng)現(xiàn)有的l a n ，使用戶(hù)可以在不同時(shí)間、在辦公樓的不同地方工作。w l a n 以?xún)?種不同方式運(yùn)行。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)w l a n 中，無(wú)線(xiàn)站( 具有無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)卡或外置調(diào)制解調(diào)器的 設(shè)備) 連接到無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)，后者在無(wú)線(xiàn)站與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中樞之l 日j 起橋梁作用。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)( 臨 時(shí)) w l a n 中，有限區(qū)域( 例如會(huì)議室) 內(nèi)的幾個(gè)用戶(hù)可以在不需要訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)建 立臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)，而無(wú)需使用接入點(diǎn)。1 9 9 7 年，i e e e 批準(zhǔn)了用于w l a n 的8 0 2 1 1 標(biāo)準(zhǔn)， 其中指定的數(shù)據(jù)傳輸速度為1 至2 兆位秒( m b p s ) 。8 0 2 11 b 正在發(fā)展成為新的主要 標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)下，數(shù)據(jù)通過(guò)2 4 千兆赫茲( g h z ) 的頻段以1 1m b p s 的最大速度進(jìn)行 傳輸。另一個(gè)更新的標(biāo)準(zhǔn)是8 0 2 1 1 a ，它指定數(shù)據(jù)通過(guò)5g h z 頻段以5 4m b p s 的最大 速度進(jìn)行傳輸。 4 ) 無(wú)線(xiàn)個(gè)人網(wǎng)( w p a n ) w p a n 技術(shù)使用戶(hù)能夠?yàn)閭€(gè)人操作空間( p o s ) 設(shè)備( 如p d a 、移動(dòng)電話(huà)和筆記本電 腦等) 創(chuàng)建臨時(shí)無(wú)線(xiàn)通訊。p o s 指的是以個(gè)人為中心，最大距離為1 0 米的個(gè)空i 日j 范 圍。目前，兩個(gè)主要的w p a n 技術(shù)是“b l u e t o o t h ”和紅外線(xiàn)?！癰 l u e t o o t h ”是一種電 纜替代技術(shù)，可以在3 0 英尺以?xún)?nèi)使用無(wú)線(xiàn)電波傳送數(shù)據(jù)。b l u e t o o t h 數(shù)據(jù)可以穿過(guò)墻 壁、口袋和公文包進(jìn)行傳輸?！癰 l u e t o o t h 專(zhuān)門(mén)利益組( s i g ) ”推動(dòng)著“b l u e t o o t h ” 技術(shù)的發(fā)展，于1 9 9 9 年發(fā)布了b l u e t o o t h 版本1 0 規(guī)范。作為替代方案，在近距離 ( 一米以?xún)?nèi)) 連接設(shè)備，用戶(hù)還可以創(chuàng)建紅外鏈接。 5 中北大學(xué)學(xué)位論文 為了規(guī)范w p a n 技術(shù)的發(fā)展，i e e e 已為w p a n 成立了8 0 2 1 5 工作組。該工作組 正在發(fā)展基于b l u e t o o t h 版本1 o 規(guī)范的w p a n 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)草案的主要目標(biāo)是低復(fù) 雜性：低能耗、交互性強(qiáng)并且能與8 0 2 1 1 網(wǎng)絡(luò)共存。 5 ) z i g b e e 技術(shù) z i g b e e 是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)，它是一種介于無(wú)線(xiàn)標(biāo)記技術(shù)( r f i d ) $ 1 藍(lán)牙之間的技術(shù)。主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接。 它依據(jù)8 0 2 1 5 4 標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微型的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需 要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所 以它們的通信效率非常高。z i g b e e 聯(lián)盟預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子 設(shè)備、汽車(chē)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備控制等析【1 4 】。 z i g b e e 是一組基于i e e e 批準(zhǔn)通過(guò)的8 0 2 15 4 無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安 全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。i e e e 僅處理低級(jí)m a c 層和物理層協(xié)議，z i g b e e 聯(lián)盟 對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和a p i 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本 節(jié)點(diǎn)的4 k 字節(jié)或者作為h u b 或路由器的協(xié)調(diào)器的3 2 k 字節(jié)。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá) 2 5 5 個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒(méi)有限制。z i g b e e 聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的 遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)獲得。 z i g b e e 使用2 4 g h z 波段，采用跳頻技術(shù)。與藍(lán)牙相比，z i g b e e 更簡(jiǎn)單、速率更快、 功率及費(fèi)用也更低。它的基本速率是2 5 0 k b s ，當(dāng)降低到2 8 k b s 時(shí)，傳輸范圍可擴(kuò)大到 1 3 4 m ，并獲得更高的可靠性。另外，它可與2 5 4 個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。完整的z i g b e e 協(xié)議套件 由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由 z i g b e e 聯(lián)盟制定，i e e e s 0 2 1 5 4 負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。 1 3 2z i g b e e 技術(shù)詳述 1 ) z i g b e e 頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率 6 中北大學(xué)學(xué)位論文 表1 1z i g b e e 頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率 頻率頻帶使用范圍數(shù)據(jù)傳輸率信道數(shù) 2 4 g h zi s m 全世界 2 5 0 k b p s 1 6 8 6 8 m h z 歐洲 2 0 k b p s l 9 1 5 m h zi s m 北關(guān) 4 0 k b p s 1 0 z i g b e e 無(wú)線(xiàn)可使用的頻段有3 個(gè)，分別是2 4 g h z 的i s m 頻段、歐洲的8 6 8 m h z 頻段、以及美國(guó)的9 1 5 m h z 頻段，而不同頻段可使用的信道分別是1 6 個(gè)、1 個(gè)和1 0 個(gè)。 z i g b e e 在中國(guó)采用2 4 g 的i s m 頻段，是免申請(qǐng)和免使用費(fèi)的頻率，在2 4 g 的頻段上 具有1 6 個(gè)信道，帶寬為2 5 0 k 。 2 ) z i g b e e 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) w w a n w m a n 傳 輸 范w l a n 圍 w p a n u u 1 0 1i1 01 0 01 0 0 0 數(shù)據(jù)傳輸率( m b p s ) 圖1 1z i g b e e 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) z i g b e e 和8 0 2 1 5 4 標(biāo)準(zhǔn)都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大速率為2 5 0 k ，與其他無(wú)線(xiàn) 技術(shù)比較，適合傳輸距離相對(duì)較近。z i g b e e 無(wú)線(xiàn)技術(shù)適合組建w p a n 網(wǎng)絡(luò)，就是無(wú)線(xiàn)個(gè) 人設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，對(duì)于數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)的傳輸是非常合適的。因此z i g b e e 技術(shù)的應(yīng) 用定位是低速率、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、低功耗和低成本應(yīng)用。 3 ) 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)比較 7 中北大學(xué)學(xué)位論文 表1 2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能比較 市場(chǎng)名標(biāo)準(zhǔn) g p r s g s m w i f i t m b l u e t o o t h t mz i g b 瑚 lx r t t c d m a8 0 2 1 l b 8 0 2 1 5 18 0 2 1 5 4 應(yīng)用重點(diǎn)廣闊范圍w e b 、e m a i l 、圖電纜代替品檢測(cè)& 控制 聲音& 數(shù)據(jù)像 系統(tǒng)資源 1 6 m b +1 m b +2 5 0 k b +4 k b 3 2 k b 電池壽命( 天)1 至70 5 至5l 至71 0 0 至1 0 0 0 + 帶寬( k b s ) 6 4 1 2 8 +1 1 0 0 0 +7 2 02 0 2 5 0 傳輸距離( 米) 1 0 0 0 +1 1 0 01 1 0 +1 1 0 0 + 網(wǎng)絡(luò)人小 13 272 5 5 6 5 0 0 0 成功尺度覆蓋面達(dá)，質(zhì)量速度、靈活性?xún)r(jià)格便宜、方便可靠、低功耗、 價(jià)格便宜 由表1 2 可知z i g b e e 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬在2 0 2 5 0 k b s 范圍，因此非常適合傳感 器數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)的傳輸。z i g b e e 技術(shù)還可以組建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量達(dá) 到6 5 5 3 5 個(gè)，具有非常強(qiáng)大的組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)由于z i g b e e 技術(shù)特有的低功耗設(shè)計(jì)，可 以保證電池工作很長(zhǎng)時(shí)間【1 5 , 1 6 , 1 7 。 4 ) z i g b e e 無(wú)線(xiàn)信道 c h a n n e l0 8 6 8 m h z l 9 1 5 m h z p h y j 8 6 8 , 3m 1 4 = c h a 黼?yún)f(xié)1 - 1 0 _ t - 2 m h z 卜1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 _ 9 救m h z9 勰h z 2 4 g h z p h y c h a n n e l s1 1 2 6 _ 卜5 m 卜- - - - - - - - - - - - - - - - 2 , 4g 證2鸛弱g娩 圖1 2z i g b e e 無(wú)線(xiàn)信道 z i g b e e 在2 4 g 的頻段上具有1 6 個(gè)信道，從2 4 0 5 g h z 一2 4 8 0 g h z 間分布，信道 間隔是5 m ，z i g b e e 還采用c s m a - c a 的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè) 務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用的時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，因此具有很強(qiáng)的信道抗串?dāng)_能 力。 5 ) z i g b e e 協(xié)議棧 8 中北大學(xué)學(xué)位論文 q 菇。f 燕。 6& 占o(jì) 。一p 、魯、。 弋o o q 9 中北大學(xué)學(xué)位論文 可容納6 5 0 0 0 個(gè)設(shè)備；時(shí)延短：典型搜索設(shè)備時(shí)延為3 0 m s ，休眠激活時(shí)延為1 5 m s ，活 動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為1 5 m s ；網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠；數(shù)據(jù)安全：z i g b e e 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和加權(quán)功能，采用a e s 1 2 8 加密算法，各個(gè)應(yīng)用可靈活確定其安 全屬性；工作頻段靈活：使用頻段為2 4 g h z 為免執(zhí)照的頻段?？梢?jiàn)z i g b e e 技術(shù)非常適 合在礦井下使用1 8 , 1 9 2 0 1 。 1 4 主要研究工作及論文組織結(jié)構(gòu) 通過(guò)了解現(xiàn)有的煤礦井下安全監(jiān)控和礦井人員定位系統(tǒng)，彌補(bǔ)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的不 足。結(jié)合8 0 2 1 5 4 標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種基于z i g b e e 技術(shù)的井下多參數(shù)安全監(jiān)控系統(tǒng)，旨 在實(shí)時(shí)對(duì)井下環(huán)境參數(shù)及井下工作人員位置進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分 析和存儲(chǔ)，為安全管理人員的決策提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支持。其中主要內(nèi)容有： 1 ) 根據(jù)礦井實(shí)際需求，提出適用于井下的安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和各功能模 塊的詳細(xì)描述及實(shí)現(xiàn)方案。 2 ) 根據(jù)功能不同將硬件節(jié)點(diǎn)劃分為礦工隨身攜帶的便攜節(jié)點(diǎn)和固定在巷道中的固 定節(jié)點(diǎn)兩種。 3 ) 提出適用于井下監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包格式和存儲(chǔ)方式。 4 ) 提出適用于井下的人員定位算法。 5 ) 對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行模擬環(huán)境測(cè)試，分析其性能。 論文的組織如下： 第1 章：為本文的引言部分，介紹了研究背景知識(shí)和主要工作。 第2 章：介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。 第3 章：介紹了組成無(wú)線(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的固定節(jié)點(diǎn)及便攜節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 第4 章：在充分研究了現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)定位方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合井下的實(shí)際情況提出了 一種基于r s s i 的兩點(diǎn)定位多點(diǎn)去平均的定位算法，并對(duì)算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。 第5 章：介紹了上位機(jī)監(jiān)控軟件的平臺(tái)選擇及各模塊功能實(shí)現(xiàn)。 第6 章：介紹了在模擬環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。 第7 章：對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)，提出了一些系統(tǒng)有待解決的問(wèn)題，并展望系統(tǒng)未來(lái)的 應(yīng)用前景。 1 0 中北大學(xué)學(xué)位論文 2 1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 2 井下安全監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)按照安置位胃不同分為地面監(jiān)控子系統(tǒng)和井下監(jiān)控子系統(tǒng)兩個(gè)部分。地面監(jiān) 控予系統(tǒng)由服務(wù)器和監(jiān)控終端組成，服務(wù)器主要負(fù)責(zé)接收監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)掘井將其存 入s q l s e r v e r 數(shù)掘庫(kù)中，以備歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)之用。監(jiān)控終端機(jī)通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)叫顯 示當(dāng)前各個(gè)位置上的環(huán)境參數(shù)值和井r 人員的位置信息，一旦參數(shù)異常應(yīng)及時(shí)發(fā)出報(bào)警 信息以提醒管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。 井下監(jiān)控子系統(tǒng)由無(wú)線(xiàn)固定節(jié)點(diǎn)、人員佩戴的無(wú)線(xiàn)便攜節(jié)點(diǎn)、交換機(jī)和單模光纖網(wǎng) 絡(luò)組成。交換機(jī)將分布在采集區(qū)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和主巷道中的光纖網(wǎng)絡(luò)連接起柬吲定節(jié)點(diǎn) 將便攜節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境參數(shù)及位置信息連同自身采集的環(huán)境參數(shù)信息打包經(jīng)由無(wú)線(xiàn)網(wǎng) 絡(luò)和光纖網(wǎng)絡(luò)上傳至地面監(jiān)控機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2l 所示。 22 系統(tǒng)功能及特點(diǎn) 幽2 i 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)集井下環(huán)境參數(shù)檢測(cè)與人員定位為一體，實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)快速組網(wǎng)，能夠及時(shí) 中北大學(xué)學(xué)位論文 準(zhǔn)確地將井下各方位的環(huán)境參數(shù)與人員位置信息上傳給地面監(jiān)控機(jī)。當(dāng)參數(shù)值異?；蚓?下發(fā)生事故時(shí)能及時(shí)通知地面管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有針對(duì)性的處理。即使事故致使井下 部分網(wǎng)絡(luò)完全癱瘓，管理人員依然能夠在第一時(shí)間通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)了解礦難前一刻 井下的狀況，為營(yíng)救及事故處理提供可靠的保證。 該系統(tǒng)的兩個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)交換機(jī)相連，最大程度地減少系統(tǒng)成本及提高通訊可靠 性，使之成為一種光纖網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的大范圍、高可靠性、快速的局域監(jiān)控網(wǎng) 絡(luò)。 地面監(jiān)控子系統(tǒng)功能如下： 1 ) 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控井下各方位環(huán)境參數(shù)及人員位置信息，如瓦斯?jié)舛取囟取?各節(jié)點(diǎn)位置信息等。 2 ) 采用人性化監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)顯示礦區(qū)各位置的環(huán)境參數(shù)及人員位置信息。 3 ) 提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、打印及歷史數(shù)據(jù)對(duì)比等功能。 4 ) 發(fā)生事故或參數(shù)異常時(shí)，監(jiān)控機(jī)將提供具體發(fā)生事故位置的信息，并發(fā)出報(bào)警 信息，提醒管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。 井下監(jiān)控子系統(tǒng)功能如下： 1 ) 實(shí)時(shí)采集當(dāng)前位置環(huán)境參數(shù)信息，人員便攜節(jié)點(diǎn)還將當(dāng)前位置信息通過(guò)固定節(jié) 點(diǎn)上傳至地面監(jiān)控機(jī) 2 ) 實(shí)現(xiàn)由固定節(jié)點(diǎn)及便攜節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)組網(wǎng)。在某一節(jié)點(diǎn)意外損壞的情況下，自動(dòng) 恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通訊。 3 ) 當(dāng)采集到的參數(shù)異常時(shí)所有節(jié)點(diǎn)發(fā)出報(bào)警信息。 4 ) 遙控器設(shè)定固定節(jié)點(diǎn)的位置信息，方便節(jié)點(diǎn)的布置。 5 ) 每個(gè)固定節(jié)點(diǎn)都可作為中繼節(jié)點(diǎn)上傳下級(jí)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。 2 3 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo) 固定節(jié)點(diǎn)的分布按照礦井環(huán)境及人員定位精度而定，其主要分布在采掘面及盲井等 光纖不宜到達(dá)的分巷道中，實(shí)時(shí)將附近的環(huán)境參數(shù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上傳至地面監(jiān)控機(jī)。人 員攜帶的便攜節(jié)點(diǎn)安置在礦工的礦帽上，因此礦工不必再攜帶多余的設(shè)備。礦工在井下 進(jìn)入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，便攜節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)無(wú)線(xiàn)信號(hào)能量自動(dòng)尋找離自身最近的固定節(jié)點(diǎn)掛靠， 1 2 中北大學(xué)學(xué)位論文 通過(guò)定位算法將其與離該固定節(jié)點(diǎn)的距離通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上傳至地面監(jiān)控機(jī)。地面監(jiān)控機(jī) 將上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控機(jī)界面上。系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)女n - f t 2 1 , 2 2 】： 1 ) 固定節(jié)點(diǎn)容量：固定節(jié)點(diǎn)的分布可根據(jù)礦井實(shí)際情況布置，在單個(gè)巷道中節(jié)點(diǎn) 數(shù)量可達(dá)到6 5 5 3 5 個(gè)。 2 ) 信號(hào)傳輸速率：2 5 0 k b p s 。 3 ) 采集密度：固定節(jié)點(diǎn)及便攜節(jié)點(diǎn)每?jī)擅胂蛏霞?jí)傳送一次數(shù)據(jù)，根據(jù)煤礦的實(shí)際 要求還可有所提高。 4 ) 環(huán)境參數(shù)誤差：瓦斯?jié)舛日`差不超過(guò)o 5 ，溫度誤差不超過(guò)o 1 。 5 ) 節(jié)點(diǎn)功耗：便攜節(jié)點(diǎn)采用電池供電，在不更換電池的情況下可工作3 5 個(gè)月。 6 ) 定位精度：人員定位精度根據(jù)固定節(jié)點(diǎn)的布置密度而不同，在固定節(jié)點(diǎn)間距為 5 0 米的情況下，定位精度小于兩米。 7 ) 地面監(jiān)控機(jī)操作平臺(tái)：操作系統(tǒng)w i n d o w sx p ；網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為1 0 0 0 m 光纖以人 網(wǎng)；數(shù)據(jù)庫(kù)采用s q ls e r v e r2 0 0 0 。 2 4 系統(tǒng)硬件組成 系統(tǒng)由構(gòu)成無(wú)線(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的井下固定節(jié)點(diǎn)和礦工攜帶的便攜節(jié)點(diǎn)以及交換機(jī)、服務(wù) 器和監(jiān)控終端機(jī)構(gòu)成【2 3 】。 2 4 1 固定節(jié)點(diǎn) 固定節(jié)點(diǎn)放置在采掘面和盲巷中，每個(gè)固定節(jié)點(diǎn)在放置的時(shí)候由工作人員使用遙控 器設(shè)置其與上一級(jí)節(jié)點(diǎn)的距離和節(jié)點(diǎn)編號(hào)，這樣每個(gè)固定節(jié)點(diǎn)在巷道中的位置就成為不 變的，為之后人員定位提供坐標(biāo)參考。由于固定節(jié)點(diǎn)固定放置可以為其提供大容帚電池， 不必過(guò)多考慮固定節(jié)點(diǎn)的節(jié)能問(wèn)題，因此在固定節(jié)點(diǎn)上可以接一些功耗大但精度較高的 傳感器，同時(shí)可以接顯示模塊讓工作人員可以隨時(shí)觀察當(dāng)前該位置的環(huán)境參數(shù)信息。一 旦環(huán)境參數(shù)異常，固定節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，提醒工作人員及時(shí)撤離。 每個(gè)固定節(jié)點(diǎn)都可以成為末節(jié)點(diǎn)或者中間節(jié)點(diǎn)，且布置的時(shí)有一定的冗余，這樣一 旦某個(gè)固定節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，其附近的節(jié)點(diǎn)利用多跳技術(shù)可以重新組網(wǎng)，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)節(jié) 1 3 中北大學(xué)學(xué)位論文 點(diǎn)的故障致使整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。固定節(jié)點(diǎn)不但將自身采集的環(huán)境參數(shù)上傳，同時(shí)還將 其附近掛接在自身上的便攜節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境參數(shù)和人員位置信息上傳給上一級(jí)節(jié)點(diǎn)，這 樣一級(jí)一級(jí)上傳最終由頭節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器接入光纖網(wǎng)絡(luò)，并最終上傳到監(jiān)控 終端。 2 4 2 便攜節(jié)點(diǎn) 人員便攜節(jié)點(diǎn)安裝在礦帽上，由于體積功耗限制宜采用電池供電，因此礦帽要盡量 減小功耗，便攜節(jié)點(diǎn)上只能安裝功耗小的傳感器，例如現(xiàn)在瓦斯檢測(cè)中經(jīng)常用到的熱催 化傳感器。另外便攜節(jié)點(diǎn)還會(huì)根據(jù)其與固定節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)能量值并利用合適的算法計(jì)算 出它與該固定節(jié)點(diǎn)間的距離，根據(jù)這一信息及固定節(jié)點(diǎn)在礦井中的位置我們就可得出該 便攜節(jié)點(diǎn)在礦井中的準(zhǔn)確位置。便攜節(jié)點(diǎn)上也安裝了聲音報(bào)警裝置，一旦該區(qū)域環(huán)境參 數(shù)異常就會(huì)發(fā)出報(bào)警提醒工作人員及時(shí)處理。 便攜節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和固定節(jié)點(diǎn)非常相似，只是去掉了固定節(jié)點(diǎn)中的顯示模塊和功耗較 大的傳感器。當(dāng)便攜節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到固定節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，便攜節(jié)點(diǎn)首先會(huì)根據(jù)同 附近固定節(jié)點(diǎn)的信號(hào)能量判斷它與哪個(gè)固定節(jié)點(diǎn)距離最近，于是與這個(gè)固定節(jié)點(diǎn)建立連 接從而連入整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)便攜節(jié)點(diǎn)都有其自身唯一的標(biāo)識(shí)號(hào)，這樣可以 為考勤記錄、安全監(jiān)測(cè)管理等提供數(shù)據(jù)依托。 2 4 3 交換機(jī) 作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與光纖網(wǎng)絡(luò)的連接裝置，交換機(jī)起到了至關(guān)重要的網(wǎng)絡(luò)連接、轉(zhuǎn)換作 用。因此交換機(jī)必須具備光纖和以太網(wǎng)雙接口，巷道邊緣最靠近交換機(jī)的固定節(jié)點(diǎn)通過(guò) 串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入交換機(jī)，光纖接口則可連接鋪設(shè)在主巷道中的光纖， 于是實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與光纖網(wǎng)絡(luò)的連接。同時(shí)每個(gè)交換機(jī)都可以作為中繼使光纖網(wǎng)絡(luò)得 到最大的擴(kuò)充，使監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)遍布整個(gè)礦區(qū)。 2 5 監(jiān)控軟件部分 監(jiān)控終端軟件作為直接與操作人員交互的平臺(tái)，穩(wěn)定性與易操作性成為對(duì)監(jiān)控軟件 1 4 中北大學(xué)學(xué)位論文 最基本的要求。按功能監(jiān)控軟件可分為環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)兩個(gè)部分。監(jiān)扮終 端通過(guò)接收無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，利用圖形化界面將礦區(qū)各個(gè)位置的環(huán)境參數(shù)信息和人 員定位信息以示意圖的方式顯示在屏幕上，監(jiān)測(cè)人員可通過(guò)顯示屏方便地看到這些數(shù)據(jù) 信息。當(dāng)環(huán)境參數(shù)異常或者人員丟失時(shí)，監(jiān)控軟件會(huì)在事故地點(diǎn)以醒目的標(biāo)志和聲音報(bào) 警來(lái)提醒工作人員。每條數(shù)掘軟件都會(huì)將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)席中，方便對(duì)歷史數(shù)掘的商詢(xún)和 對(duì)比。如果需要，還口r 將數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)i n t e r n e t 安全機(jī)制菇享到i n t e r n e t 網(wǎng)巾方 便煤礦高層人員對(duì)礦區(qū)狀況的監(jiān)控和管理。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 2 所示： 本章小結(jié) 井下無(wú)線(xiàn)阿絡(luò) 圖2 2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在對(duì)現(xiàn)有井下無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的分析和煤礦實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上為了改善現(xiàn)有系 統(tǒng)由于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性及造價(jià)等問(wèn)題，提出了一種基于z i g b e e 技術(shù)的井下無(wú)線(xiàn)監(jiān)控 系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)和各組成部分分別進(jìn)行了介紹。 1 5 中北大學(xué)學(xué)位論文 3 無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成元素，環(huán)境參數(shù)及人員定位系統(tǒng)信息的采集者，無(wú)線(xiàn)傳感 器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)由兩種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，分別是 固定在巷道中的固定節(jié)點(diǎn)和佩戴在礦帽上的便攜節(jié)點(diǎn)，他們?cè)谡麄€(gè)系統(tǒng)中有著不同的作 用。一個(gè)良好的井下監(jiān)控系統(tǒng)必須以性能優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)。本章在仔細(xì)分 析系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹這兩種節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。 3 1 器件的選擇 3 1 1 無(wú)線(xiàn)芯片的選擇 性能優(yōu)秀的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)必須以良好的無(wú)線(xiàn)芯片為依托，所以無(wú)線(xiàn)芯片的選擇成為 關(guān)鍵。井下惡劣的地質(zhì)和生產(chǎn)環(huán)境對(duì)通信頻率有較大的影響，其中主要的因素有 2 4 1 ： 1 ) 信號(hào)的衰減：礦井巷道復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境對(duì)信號(hào)造成很大的衰減，在低頻段時(shí)衰 減隨頻率的增加而增大，中頻段、高頻段時(shí)衰減達(dá)到最大值，甚高頻段和特高頻段時(shí)衰 減又會(huì)隨著頻率的增加而減小。因此在巷道中只能選擇低頻段或者甚高頻段，但是如果 選擇低頻段則需要大功率的發(fā)射機(jī)和較長(zhǎng)的天線(xiàn)，顯然這兩個(gè)條件并不適合在狹窄的巷 道中使用，所以在巷道中必須選擇甚高頻段和特高頻段【2 5 1 。 2 ) 巷道壁及拐角對(duì)信號(hào)的影響：信號(hào)在巷道中傳播時(shí)，巷道粗糙的外壁和曲率都 會(huì)使信號(hào)衰減，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的理論分析和實(shí)驗(yàn)可知，在高頻時(shí)這兩種因素對(duì)信號(hào)的影 響都會(huì)加大。 3 ) 導(dǎo)體對(duì)信號(hào)的影響：巷道中的電纜、電機(jī)車(chē)架空線(xiàn)、鐵軌、水管等形成了縱向 導(dǎo)體