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ZigBee技术在煤矿井下救援系统中的应用

发布时间:08-30

摘?要?在煤矿井下发生安全事故后,及时准确地获知井下作业人员的位置信息是至关重要的。提出了将无线传感器网络中的ZigBee技术应用于煤矿井下救援系统中,组成无线传感器网络,构建井下人员无线定位系统的设计方案。目前,井下人员定位系统已经处于调试和试运行阶段,运行效果良好。



关键词?G1S无线传感器网络?救援系统?ZigBee人员定位系统



1引言



近年来,随着对煤炭需求的高速增长,煤炭工业也得到很大发展,但是煤矿重大、特大事故时有发生,仍未实现对灾害事故的有效控制。事故发生后,准确判定井下生产作业人员的受困位置、遇险人员撤退路线、井下的环境监测情况以及及时准确地制定救援方案,这对事故的救援是十分重要的,也是十分紧迫的任务。煤矿井下救援系统及其分系统一基于ZigBee技术的井下人员无线定位系统,就是在此背景下进行研究与开发的。



目前,矿井无线通信技术主要有透地通信技术、中远距离射频感应通信技术、漏泄通信技术以及矿井移动通信技术等。上述技术有的成木较高,有的功耗相对较大,还有的抗干扰能力相对较差等一些不足,在很大程度上阻碍了在矿业行业推广应用。木文提出了一个基于ZigBee技术的煤矿井下无线网络通信系统成功解决上述问题。



2煤矿井下救援系统的功能与关键技术



统计分析表明,全国煤矿瓦斯事故数占事故总数大约70%。因此木煤矿井下救援系统侧重于瓦斯事故的救援管理,本系统的主要功能有:煤矿井下瓦斯实时监测数据采集、传输和处理;对出现的瓦斯事故进行预警和救援支持;将包括瓦斯传感器和井下作业人员等多种属性数据信息实时显示在电子地图以及有关消息的网上发布等。煤矿井下救援系统的建设有利于安全监察部门和行业管理部门及政府其它部门、中介机构、舆论媒体协同工作,有利于实时的发现重大事故隐患、动态排查隐患,跟踪安全整改,将隐患处理于事故发生之前,从而最大限度地避免事故的发生,形成预警体系。



2.1?GIS



地理信息系统(Geographic?Information?Systans?GIS),是信息系统的一种,它以表征地球表层空间地理现象和事物的地理空间数据和信息为特定的运作对象国。换言之,地理信息系统是对地理空间数据进行处理加工提取有用的地理空间信息乃至知识的系统。总起来说地理信息系统主要包括的功能有,例如,地理空间数据的采集、存储、显示、操作、管理、分析、建立分析模型。本文所采用的GIS技术,将地球表层空间数据延伸到地球表层以下,用于井下巷道图、设备分布图,瓦斯传感器分布图、瓦斯监测数据、人员动态信息等空间数据和属性数据的管理。



2.2无线传感器网络



无线传感器网络是基于4G第四代无线通信技术,3A自适应天线阵,及分布式网格计算技术,融合了传统传感与监测技术的下一代网络(NGN)。



无线传感器网络与传统的无线网络(如W?LAN和蜂窝移动电话网络)有着不同的设计目标,后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率,同时为用户提供一定的服务质量保证团。在无线传感器网络中,除了少数节点需要移动以外,大部分节点都是静正的。其中的设备体积小、能耗低,并通过无线网络传播信息,因此对比传统的传感器而言,具有无可比拟的优势。由这些微小的智能传感设备所组成的网络,不但能取代传统的传感设备,还能完成许多传统控制,监视设备所做不到的任务。从国外已成熟的应用来看,在环境、军事、水利电力、医疗、楼宇监测、交通和制造以及矿业井下作业等许多领域里,无线传感器网络都有极大的应用价值。



典型的无线传感器网络撇日图1所示。该无线传感器网络由众多网络节点组成,节点之间采用无线通信。节点包括普通节点、Sink节点、网关节点。普通节点和Sink节点完成数据采集和多跳中继传输,网关节点完成无线和有线信号转换,实现以太网接入。节点以自组织形式构成网络,通过多跳中继方式将监测数据传到sink节点,最终借助长距离或临时建立的链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。



2.3几种无线传输技术比较



蓝牙技术是爱立信、诺基亚以及IBM等公司在1998年率先推出,主要用于通信和信息设备的无线连接。Wi-Fi(无线高保真)是一种无线通信协议,主要目的是提供W?LAN接入。ZigBee是由英国、美国、荷兰以及日木一些著名的公司于2002年联合推出的低成木、低功耗、短距离传输的无线连接技术。UWB即超宽带技术又被称为脉冲无线发射技术,是指占用带宽大于中心频率的1/4或带宽大于15G无线发射方案,作为商用的无线通信技术。



低功耗、低成木的就是ZigBee技术的优势,而这些恰好适用于煤矿井下巷道多曲折、多风门等结构特点,电源供电限制严格、煤炭行业资金短缺等特点。尽管它有着较低数据传输率,但是这一传输速度仍能够满足井下人员定位系统的需求。



2.4?ZigBee



Z?igBee是一种采用成熟无线通讯技术的全球统一标准的开放的无线传感器网络。它以IEEE?802.15.4协议为基础,使182?2006.24计算机工程与应用用全球免费频段进行通讯,能够在三个不同的频段上通讯。全球通用的频段是2.400GHz-2.484GHz,欧洲采用的频段是868.0?MHz?-868.6?6MHz美国采用的频段是902MHz?-928MHz传输速率分别为250kbps?20kbps和40kbps通讯距离的理论值为10m-?75m。



ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成木,由于采用较低的数据传输率,较低的工作频段和容量更小的Stack并且将设备的ZigBee模块在未使用的情况下进入休眠状态从整体上降低其功耗。?ZigBee体系结构中物理层、介质访问层和数据链路层基于IEEE802.15.4无线个人局域网(WPAN)标准协议;?ZigBee在IEEE802.15.4标准基础之上建立网络层和应用支持层,包括巨大数量节点的处理最大节点数可以达到65?000[3]个)?、ZigBee设备对象、用户定义的应用轮廓.

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