无线传感网络技术在煤矿井下监控系统中的应用

徐加恒+++訾美幸+++赵绪帅

摘 要：文章分析了目前煤矿井下监测监控系统的现状，以及无线传感网络的特点，并介绍了ZigBee的特点和在各个领域的应用。

关键词：监测监控；无线传感网络；ZigBee

一、煤矿井下监测监控系统现状

目前煤矿井下监测监控系统层出不穷、各式各样，基本形成一条信息化监控网络。但是传统的煤矿监测监控系统存在以下问题：

（一）有线通信方式布线复杂，劳动强度高；

（二）网络结构相对固定，不适合掘进工作面延伸的动态变化要求；

（三）监测点相对固定，容易出现监测盲区；

（四）工作現场的通信线路容易破坏，破坏后的恢复周期一般较长；

（五）通信线路维护成本高，造成部分煤矿出现维护、边生产的违规现象甚至有些煤矿干脆不维护。

二、无线传感器网络特点

与传统网络相比，无线传感器网络具有如下特征：

（一）无线传感器网络中的传感器节点是密集分布的，数量很大，在一个目标区域内往往要部署成千上万个传感器节点。

（二）无线传感器网络的拓扑结构经常发生变化，由于在一个目标区域内部署的传感器节点非常密集，所以必须对网络拓扑结构仔细管理。

（三）传感器节点主要使用广播通信体制，其中最引人注目的是先进的通信技术是超宽带通信技术，而大部分专用网络都是点对点通信。

（四）传感器节点的电源功率、计算能力和存储容量都有一定的限制，为了降低功耗，一般采用唤醒的工作方式，即事件触发的方式。

（五）无线传感器网络一般都是在一个开放式空间中自主、自组织、无人值守地工作。

（六）在煤矿下，传感器节点一般都是随机地部署在不同的需要监测区域执行其特定的功能。各传感器节点事先不知道自身所处的位置，通过部署后的实时自定位，就能以自组织的方式相互协调地组网工作。

目前无线技术已经开始在煤矿井下使用，结合煤矿井下特殊情况以及无线技术的特点，ZigBee和WiFi技术是将来的发展方向，以下主要介绍ZigBee技术。

三、ZigBee技术的特点

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。这种无线通信技术具有多种特点。

功耗低：工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式。设备搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电，ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。同时，由于电池时间取决于很多因素，例如电池种类、容量和应用场合，ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数年，对于某些工作时间和总时间（工作时间+休眠时间）之比小于1%的情况，电池的寿命甚至可以超过10年。

数据传输可靠：ZigBee的媒体接入控制层（MAC层）采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。

网络容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按三种方式工作，分别为个域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。一个ZigBee的网络最多包括有255个ZigBee网路节点，其中一个是主控（Master）设备，其余则是从属（Slave）设备。若是通过网络协调器（Network Coordinator），整个网络最多可以支持超过64000个ZigBee网路节点，再加上各个Network Coordinator可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。

兼容性：ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器（Coordinator）自动建立网络，采用载波侦听/冲突检测（CSMA-CA）方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。

安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件，各个应用可以灵活确定其安全属性。

结语：

煤矿企业在进行生产的时候面临的工作环境是非常复杂的，而且，在进行生产的时候一旦出现问题导致的后果将是无法预计的，近年来，煤矿企业在进行生产的时候出现了很多的安全事故，这样就使得人们对其安全生产问题更加重视。无线传感网络技术能够更好的对各个矿井的生产情况进行掌握，同时通过对相关的数据进行获取，这样能够更好的保证安全生产情况，同时，也是一种非常科学的管理手段。通过实时监控能够更加准确的获取各种信息，同时，也能将出现的问题及时进行反映，系统在功能方面是非常完善的。及时发现问题，及时对出现的问题进行处理，保证煤矿企业的生产不受到影响，更好的促进我国经济的发展。

参考文献

[1]煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[2]中华人民共和国安全生产行业标准.ICS73.100D0917331-2006.endprint