楊建林??

摘要：近年來，煤礦安全事故頻發(fā)，造成重大人員傷亡和巨大經濟損失。提出了一種輕量級的糅合中間件來實現地下物理傳感器設備的遠程監(jiān)控自動化。首先，在地下煤礦中布置了基于ZigBee無線傳感器網絡的集群樹，并借助可視化技術，創(chuàng)建了不同地下物理傳感器設備的圖形用戶界面，使得傳感器可以與其他資源輕松結合。實驗證明，基于ZigBee的煤礦安全監(jiān)控方法能有效地改善采礦業(yè)運營的效率，對于提高煤礦整體的開采安全水平，具有重要的意義。

關鍵詞：ZigBee；煤礦安全監(jiān)控

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.09.093

1引言

地下礦山往往如同迷宮般錯綜復雜，其隧道通常有若干公里長，卻僅有幾米寬。為了完成設計及施工要求，煤礦開采作業(yè)人員需要在極端條件下工作。地下煤礦開采是一項高風險的作業(yè)，每年因煤礦開采事故而死亡的礦工人數持續(xù)上升。因此，為了確保煤礦開采的安全，國內外學者進行了相應的研究。2006年，張玉柱通過GIS技術研究了煤礦安全信息系統構建的需求，并建立了基于GIS的煤礦安全系統模型。2008年，紀謙超分析了煤礦安全監(jiān)控系統的體系結構與需求，并設計了基于Oracle數據庫的煤礦安全監(jiān)控系統軟件。同年，崔春香等指出了礦山安全系統中數據采集及表達的關鍵技術，并設計了基于礦山地理信息技術的安全監(jiān)控系統數據模型。2009年，何帥設計了基于三維建模技術的煤礦井巷模型，并提出了不同存儲格式的礦井巷道數據提取辦法。2010年，孫彥景等提出了煤礦物聯網系統理論，并研制了適用煤炭環(huán)境的綜合接入網卡及環(huán)網防爆交換機。2012年，喬鋼柱分析了井下無線傳感器網絡路由算法，并設計了基于無線傳感器網絡的煤礦安全綜合監(jiān)控系統。2014年，劉東以煤礦作業(yè)人員定位系統為例，設計了基于物聯網的煤礦安全監(jiān)控系統。同年，王春玲建立了基于Multi-Agent技術的煤礦安全監(jiān)控系統，并優(yōu)化了冗繁數據的處理過程。2015年，焦昊通過搭建WEB平臺，在MyEclipse+MySql的開發(fā)環(huán)境下，設計了煤礦安全監(jiān)控信息管理系統。2016年，楊超宇等分析了煤礦安全監(jiān)控行為識別系統的實際需求，提出了基于視頻的煤礦安全監(jiān)控行為識別系統的應用解決方案。2017年，汪叢笑指出了目前煤礦安全監(jiān)控系統中存在的主要問題，并提出了相應的升級改造方案。

然而，地下煤礦主要由隨機通道和分支隧道組成，這種復雜的結構使得配置相應的網絡架構變得非常困難。因此，本文建立了基于ZigBee的煤礦安全監(jiān)測系統，通過多跳傳輸方法改善了系統對復雜隧道結構的適應能力，有效地彌補了現有地下有線監(jiān)測系統的不足。

2ZigBee的概述

2.1ZigBee的簡介

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的短距離無線網絡通信技術，具有低功耗、低成本、低速率、短延時、高容量、數據通信可靠性高和免執(zhí)照頻段的特點。ZigBee設備在室內一般能覆蓋30-50米的作用范圍，在室外空曠地帶如果不加功率模塊覆蓋范圍可以達到400米左右。

ZigBee協議的體系結構包括：物理層（PHY）、介質接入控制子層（MAC）、網絡層（NWK）、應用支持層（APS）、應用程序框架（AF）以及ZigBee設備對象（ZDO），各部分的關系如圖1所示。

2.2ZigBee的拓撲結構

星型網絡、樹狀網絡和網狀網絡是ZigBee網絡的三種主要組網方式。

星型網絡是一個單跳結構的輻射狀系統，網絡中所有的數據及指令的傳輸由中心節(jié)點負責，每一個子節(jié)點均與中心節(jié)點直接相連，并進行雙向通信，其網絡拓撲如圖2所示。一旦子節(jié)點數增加，中心節(jié)點的工作負荷大大增強，導致丟包和堵塞等網絡問題的發(fā)生，故星型網絡不適合大規(guī)模的無線傳感網絡。

樹狀網絡是一個由多個星型網絡組成的多跳結構網絡，能覆蓋更大的工作范圍，但其穩(wěn)定性較差。由圖3可知，樹狀網絡中節(jié)點之間只有一條傳輸路徑，一旦發(fā)生故障，會導致局部網絡的癱瘓，故樹狀網絡適合穩(wěn)定環(huán)境下的較大規(guī)模無線傳感網絡。

網狀網絡中每一個節(jié)點均與多個節(jié)點相連，通過各自的算法選擇最優(yōu)的數據傳輸路徑，具有較強的環(huán)境適應性，其網絡拓撲如圖4所示。

3基于ZigBee的地下無線傳感網絡布置

煤礦井下無線傳感器網絡的理想拓撲結構不僅需要具有較高的系統可靠性和魯棒性，還能突破礦工效率的局限性?？紤]到煤礦環(huán)境復雜，本文選擇在井下布置了一個基于ZigBee的無線傳感器網絡，其網絡拓撲如圖5所示。

每個ZigBee路由器及其周邊設備被視為一個相應的集群，集群可以作為一個星形網絡單獨運行。該網絡中監(jiān)控中心的節(jié)點作為協調者，是一個標識符為零的集群頂點。集群頂點不僅可以管理內部的集群節(jié)點，還可以通過光纖網絡向監(jiān)控中心傳輸信息。因此，其通信和功率容量明顯高于電池供電集群。集群節(jié)點配備甲烷傳感器，濕度傳感器和其他傳感器。但是，它的計算能力很低，在無線電帶寬和電池容量方面存在很大的局限性。因此，為了傳輸他們感知的數據，遠離集群頂點的集群節(jié)點必須選擇合適的路由。

例如，相鄰節(jié)點可以將數據逐個傳輸到集群頂點。為了便于部署的組合，初始化網絡中的每個固定節(jié)點都應該有一個固定的個人區(qū)域網絡標識符（PAN ID），并通過廣播將信標的幀發(fā)送到另一個相鄰的設備。然后，接收到信標幀的候選設備可以被應用到集群頂點。如果集群頂點被允許加入網絡，則將子節(jié)點放入其鄰居表中，同時設備將集群頂點作為其鄰居表中的父節(jié)點，成為網絡的從屬節(jié)點。一旦網絡容量達到一定的限制，集群頂點就會將從設備指定為新集群網中的另一個集群頂點，并且可以加入更多的節(jié)點。因此，網絡中的所有節(jié)點都可以最終加入網絡。

作為網絡中的第一個設備，協調員負責啟動無線網絡。然后，網絡將被構建，網絡層從所有兼容的信道中選擇一個空閑信道，并分配一個新的ID。之后，無線監(jiān)控狀態(tài)開始。上述操作可以用圖6（1）所示的流程圖來說明。對于路由器節(jié)點，主要有以下功能：發(fā)現網絡，選擇適當的路由器，為網絡的子設備分配地址，傳遞環(huán)數據，離開網絡等。工作流程如圖6（2）所示。最后，終端節(jié)點可以獲取地下人員的生理信息，并將信息進一步轉換為數據。緊接著，數據被發(fā)送到父節(jié)點，并且來自父節(jié)點的指令可以被反饋。其工作流程如圖6（3）所示。

位置節(jié)點是一個移動節(jié)點，可以在參考節(jié)點所包圍的區(qū)域內自由移動。位置節(jié)點的坐標可以通過定位算法根據目標節(jié)點在目標位置區(qū)域的所有RSSI值來計算。如圖7所示，該區(qū)域由四個信標節(jié)點和一個移動節(jié)點組成，其中包含兩個網絡Beacon Node BNi（BN1，BN2，BN3，BN4）和移動節(jié)點網絡Ci（C1）。特別地，任何兩個信標節(jié)點之間的距離是已知的，并且移動節(jié)點可以接收來自至少三個信標節(jié)點的廣播分組。在這種情況下，移動節(jié)點可以根據接收到的信標廣播分組和附加信息來選擇最強能量信標節(jié)點。這里，選擇BN2作為信標網絡中的區(qū)域參考節(jié)點，并且Dbi（d32，d22，d12）和Dbi（D12，D22，D32）是實際距離和從參考節(jié)點到信標的測量距離節(jié)點，分別。 C1被附加到信標節(jié)點BN2，并且它僅接收用于從節(jié)點BN2及其相鄰信標節(jié)點BN1和BN3的廣播信息。Ci（C1，C2，C3）為從C1到BN2的距離，BN3為RSSI衰減。為了得到未知節(jié)點C1的位置信息，從移動從節(jié)點BN2到相鄰信標節(jié)點（BN3，BN1）可以計算如下：

從移動節(jié)點到信標節(jié)點的差異校正因子的距離可以表示為

，其中是從移動從屬節(jié)點到相鄰信標節(jié)點的差分距離的平均值。移動節(jié)點到三個信標節(jié)點的距離可以修正為：

根據上述公式，可以計算出修正距離CN1，CN2，CN3。結合三角定位算法，可以得到移動節(jié)點的二維坐標信息。

考慮到監(jiān)控中心與監(jiān)控節(jié)點之間的數據交換，大部分數據從監(jiān)控節(jié)點流向監(jiān)控中心，然后監(jiān)控中心發(fā)送命令數據至設備。在這個過程中，監(jiān)控節(jié)點之間的數據交換很少。因此，可以基于這些特征的組合來優(yōu)化路由算法。為了將數據直接沿著群集樹發(fā)送到監(jiān)控中心，需要向上的垂直路由，而向監(jiān)控中心發(fā)送數據到沿著群集樹的節(jié)點也需要向下的垂直路由。同時，少量監(jiān)控節(jié)點之間的數據交換需要啟動路由發(fā)現和選擇。當網絡層從上層收到數據時，有必要判斷它是否是廣播幀。如果是這樣，根據廣播幀的處理開始處理數據，具體參照ZigBee協議。然后，網絡層決定是否將數據發(fā)送到監(jiān)控中心。如果是這樣，數據將作為下一跳路由直接發(fā)送到父節(jié)點；若沒有，數據將通過下一個已知的跳轉路由發(fā)送。如果節(jié)點不具備路由發(fā)現能力或者無法執(zhí)行路由選擇，則仍沿著樹進行路由。如果數據從監(jiān)控中心發(fā)送到監(jiān)控節(jié)點，則需要將數據發(fā)送到CAN總線，以便固定節(jié)點查看自己的PAN ID。如果是正確的，則垂直向下路由可以沿著群集樹跳轉到目標節(jié)點。

4結論與展望

本文構建了基于ZigBee的地下無線傳感器網絡，統一了設備訪問框架，創(chuàng)建了不同地下物理傳感器設備的圖形用戶界面，使得傳感器可以與其他資源輕松結合。實驗證明，基于ZigBee的煤礦安全監(jiān)控方法能有效地改善采礦業(yè)運營的效率，提高煤礦整體的開采安全水平，為地下礦山的決策和實時控制提供了有力的支持。

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