摘要：從人員安全的角度出發(fā)，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(jiān)測，并利用成熟的無線傳感網絡通信技術和工業(yè)無線通信設備，構成煤礦綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實現對煤礦井下作業(yè)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(jiān)測、預警系統(tǒng)，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(huán)境的安全。
    目前傳統(tǒng)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(jiān)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(fā)現、漏報、遲報等危險。因此基于各種網絡的自動監(jiān)測系統(tǒng)成為了煤礦安全生產發(fā)展的方向。
    國內目前在礦區(qū)使用的較成熟的監(jiān)測系統(tǒng)，大多采用有線方式，如KJF2000、KJ4／KJ2000等系統(tǒng)。但有線系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)成為了目前研究和應用的重點，但這些系統(tǒng)大多處于研究階段，相關現場設備大多是自主研發(fā)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(yè)現場的溫濕度、瓦斯?jié)舛纫约叭藛T定位等重要信息的實時監(jiān)測，具有系統(tǒng)開發(fā)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(fā)展，無線傳感網絡應運而生。工業(yè)無線網絡是從新興的無線傳感器網絡發(fā)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(yè)無線網絡的現狀和發(fā)展趨勢進行了研究和對比?？紤]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(xié)議的工業(yè)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(xié)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(lián)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(yī)療護理、汽車自動化、農業(yè)自動化和遙測遙控等。Zigbee的網絡設備通常分為三類：中心協(xié)調器(PAN Coordinatox)、路由器(Router)和終端節(jié)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(jié)點不具有路由功能，只能與中心協(xié)調器或路由器單跳連接，組成星型網絡。終端節(jié)點的優(yōu)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(xié)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(jié)點自動加入網絡、信道跳頻等特點。并且作為工業(yè)級產品，具有較高的可靠性和工業(yè)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(jié)點數據，處理后通過以太網、Wifi或無線蜂窩連接發(fā)送到上級應用?？蛇x多種配置。同時內置Python開發(fā)環(huán)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(tài)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(yè)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(xié)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(lián)網的理想選擇。
    XBee ZB傳感器集成了環(huán)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(fā)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(xié)調器、路由節(jié)點和終端節(jié)點中的任意一種。

2 系統(tǒng)構成及組網方式
    本文所涉及的煤礦綜合監(jiān)測系統(tǒng)，主要目的是實現井下溫濕度、瓦斯以及作業(yè)人員位置的監(jiān)測。考慮到溫濕度和瓦斯的測量是在固定位置，而作業(yè)人員的位置是變動的，因此考慮將溫濕度和瓦斯的測量作為一個集成的路由節(jié)點存在，而作業(yè)人員作為一個終端節(jié)點存在。這樣，構成了一個基于Zigbee簇狀網絡的系統(tǒng)架構，如圖2所示。

    “地面”的“現場監(jiān)視站”，還可以利用Digi公司提供的云平臺，實現數據的發(fā)布和遠程監(jiān)視。
    對于“井下”的Zigbee無線通信網絡而言，包括三種類型設備：“網關”、“環(huán)境數采設備”和“人員位置數采設備”：
    ●“ConneetPort網關”放置在井口處，一方面作為協(xié)議轉換器，與“地面”上級系統(tǒng)建立接口和連接；同時也作為整個井下無線系統(tǒng)的中心協(xié)調器存在，負責無線網絡的建立和維護。
    ●“環(huán)境數采設備”按一定距離(300 m)在井內進行放置，實現對溫濕度及瓦斯等環(huán)境參數的測量。考慮到這些節(jié)點需要同時作為人員位置監(jiān)測的參考點，此外從網絡的可靠性角度出發(fā)(如果中間有一個節(jié)點故障，仍希望網絡是正常工作的)，因此這些固定放置的環(huán)境監(jiān)測設備作為Zigbee的路由器存在，其供電也將采用有線方式；所有環(huán)境監(jiān)測設備組成鏈狀網絡，最終與“網關”實現連接和數據交互。
    ●“人員位置跟蹤設備”采用XBee ZB傳感器模塊，由井下礦工隨身攜帶，從功耗角度考慮，該類設備作為Zigbee的終端節(jié)點存在，因此可以保持較長的工作時間。同時該終端節(jié)點采用網絡主動搜尋模式，可以按預先設定的時間間隔喚醒并主動搜尋最近的路由節(jié)點并加入網絡，由此實現定位跟蹤。
    井下“環(huán)境數據采集設備”的構成如圖3所示，包括溫濕度傳感器、瓦斯傳感器以及一個XBee—PRO ZB適配器。

    ●溫濕度傳感器：采用E+E公司的EE30EX本安型溫濕度傳感器，溫度測量范圍-40℃～180℃，濕度測量范圍0～100％RH，采用24VDC供電，輸出范圍0～10 V或4～20 mA。
    ●瓦斯傳感器：采用中煤科常州自動化研究院的KGJ16B型瓦斯傳感器，測量范圍0～4％CH4，采用9～24 VDC供電，輸出范圍1～5 mA，通過串聯(lián)電阻可變換為1～5 V。
    ●XBee—PRO ZB適配器：由于溫濕度和瓦斯傳感器均為模擬型輸出，因此選用模擬輸入型XBee—PRO ZB適配器，有三組模擬輸入通道，0～10 V或4～20 mA可配置。目前系統(tǒng)僅使用了其中的2個輸入通道，并且均選用0～10 V測量范圍。

3 結束語
    采用已有的成熟傳感器和無線傳感網絡設備，通過集成和組網，實現煤礦井下作業(yè)環(huán)境和人員位置的實時監(jiān)測。同時根據測量功能和節(jié)點位置的不同，將環(huán)境測量用設備配置為Zigbee路由節(jié)點，按一定間隔進行固定放置；而將人員定位設備配置為Zigbee終端節(jié)點，可進入低功耗模式，同時自動搜尋最近的路由節(jié)點，實現位置的跟蹤定位。
    該系統(tǒng)具有結構簡單、易于實現、可靠性高、功能全面等優(yōu)點，適合于煤礦綜合監(jiān)測的廣泛應用。