基于ZigBee的煤矿安全监控方法研究

杨建林��

摘要：近年来，煤矿安全事故频发，造成重大人员伤亡和巨大经济损失。提出了一种轻量级的糅合中间件来实现地下物理传感器设备的远程监控自动化。首先，在地下煤矿中布置了基于ZigBee无线传感器网络的集群树，并借助可视化技术，创建了不同地下物理传感器设备的图形用户界面，使得傳感器可以与其他资源轻松结合。实验证明，基于ZigBee的煤矿安全监控方法能有效地改善采矿业运营的效率，对于提高煤矿整体的开采安全水平，具有重要的意义。

关键词：ZigBee；煤矿安全监控

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.09.093

1引言

地下矿山往往如同迷宫般错综复杂，其隧道通常有若干公里长，却仅有几米宽。为了完成设计及施工要求，煤矿开采作业人员需要在极端条件下工作。地下煤矿开采是一项高风险的作业，每年因煤矿开采事故而死亡的矿工人数持续上升。因此，为了确保煤矿开采的安全，国内外学者进行了相应的研究。2006年，张玉柱通过GIS技术研究了煤矿安全信息系统构建的需求，并建立了基于GIS的煤矿安全系统模型。2008年，纪谦超分析了煤矿安全监控系统的体系结构与需求，并设计了基于Oracle数据库的煤矿安全监控系统软件。同年，崔春香等指出了矿山安全系统中数据采集及表达的关键技术，并设计了基于矿山地理信息技术的安全监控系统数据模型。2009年，何帅设计了基于三维建模技术的煤矿井巷模型，并提出了不同存储格式的矿井巷道数据提取办法。2010年，孙彦景等提出了煤矿物联网系统理论，并研制了适用煤炭环境的综合接入网卡及环网防爆交换机。2012年，乔钢柱分析了井下无线传感器网络路由算法，并设计了基于无线传感器网络的煤矿安全综合监控系统。2014年，刘东以煤矿作业人员定位系统为例，设计了基于物联网的煤矿安全监控系统。同年，王春玲建立了基于Multi-Agent技术的煤矿安全监控系统，并优化了冗繁数据的处理过程。2015年，焦昊通过搭建WEB平台，在MyEclipse+MySql的开发环境下，设计了煤矿安全监控信息管理系统。2016年，杨超宇等分析了煤矿安全监控行为识别系统的实际需求，提出了基于视频的煤矿安全监控行为识别系统的应用解决方案。2017年，汪丛笑指出了目前煤矿安全监控系统中存在的主要问题，并提出了相应的升级改造方案。

然而，地下煤矿主要由随机通道和分支隧道组成，这种复杂的结构使得配置相应的网络架构变得非常困难。因此，本文建立了基于ZigBee的煤矿安全监测系统，通过多跳传输方法改善了系统对复杂隧道结构的适应能力，有效地弥补了现有地下有线监测系统的不足。

2ZigBee的概述

2.1ZigBee的简介

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的短距离无线网络通信技术，具有低功耗、低成本、低速率、短延时、高容量、数据通信可靠性高和免执照频段的特点。ZigBee设备在室内一般能覆盖30-50米的作用范围，在室外空旷地带如果不加功率模块覆盖范围可以达到400米左右。

ZigBee协议的体系结构包括：物理层（PHY）、介质接入控制子层（MAC）、网络层（NWK）、应用支持层（APS）、应用程序框架（AF）以及ZigBee设备对象（ZDO），各部分的关系如图1所示。

2.2ZigBee的拓扑结构

星型网络、树状网络和网状网络是ZigBee网络的三种主要组网方式。

星型网络是一个单跳结构的辐射状系统，网络中所有的数据及指令的传输由中心节点负责，每一个子节点均与中心节点直接相连，并进行双向通信，其网络拓扑如图2所示。一旦子节点数增加，中心节点的工作负荷大大增强，导致丢包和堵塞等网络问题的发生，故星型网络不适合大规模的无线传感网络。

树状网络是一个由多个星型网络组成的多跳结构网络，能覆盖更大的工作范围，但其稳定性较差。由图3可知，树状网络中节点之间只有一条传输路径，一旦发生故障，会导致局部网络的瘫痪，故树状网络适合稳定环境下的较大规模无线传感网络。

网状网络中每一个节点均与多个节点相连，通过各自的算法选择最优的数据传输路径，具有较强的环境适应性，其网络拓扑如图4所示。

3基于ZigBee的地下无线传感网络布置

煤矿井下无线传感器网络的理想拓扑结构不仅需要具有较高的系统可靠性和鲁棒性，还能突破矿工效率的局限性。考虑到煤矿环境复杂，本文选择在井下布置了一个基于ZigBee的无线传感器网络，其网络拓扑如图5所示。

每个ZigBee路由器及其周边设备被视为一个相应的集群，集群可以作为一个星形网络单独运行。该网络中监控中心的节点作为协调者，是一个标识符为零的集群顶点。集群顶点不仅可以管理内部的集群节点，还可以通过光纤网络向监控中心传输信息。因此，其通信和功率容量明显高于电池供电集群。集群节点配备甲烷传感器，湿度传感器和其他传感器。但是，它的计算能力很低，在无线电带宽和电池容量方面存在很大的局限性。因此，为了传输他们感知的数据，远离集群顶点的集群节点必须选择合适的路由。

例如，相邻节点可以将数据逐个传输到集群顶点。为了便于部署的组合，初始化网络中的每个固定节点都应该有一个固定的个人区域网络标识符（PAN ID），并通过广播将信标的帧发送到另一个相邻的设备。然后，接收到信标帧的候选设备可以被应用到集群顶点。如果集群顶点被允许加入网络，则将子节点放入其邻居表中，同时设备将集群顶点作为其邻居表中的父节点，成为网络的从属节点。一旦网络容量达到一定的限制，集群顶点就会将从设备指定为新集群网中的另一个集群顶点，并且可以加入更多的节点。因此，网络中的所有节点都可以最终加入网络。

作为网络中的第一个设备，协调员负责启动无线网络。然后，网络将被构建，网络层从所有兼容的信道中选择一个空闲信道，并分配一个新的ID。之后，无线监控状态开始。上述操作可以用图6（1）所示的流程图来说明。对于路由器节点，主要有以下功能：发现网络，选择适当的路由器，为网络的子设备分配地址，传递环数据，离开网络等。工作流程如图6（2）所示。最后，终端节点可以获取地下人员的生理信息，并将信息进一步转换为数据。紧接着，数据被发送到父节点，并且来自父节点的指令可以被反馈。其工作流程如图6（3）所示。

位置节点是一个移动节点，可以在参考节点所包围的区域内自由移动。位置节点的坐标可以通过定位算法根据目标节点在目标位置区域的所有RSSI值来计算。如图7所示，该区域由四个信标节点和一个移动节点组成，其中包含两个网络Beacon Node BNi（BN1，BN2，BN3，BN4）和移动节点网络Ci（C1）。特别地，任何两个信标节点之间的距离是已知的，并且移动节点可以接收来自至少三个信标节点的广播分组。在这种情况下，移动节点可以根据接收到的信标广播分组和附加信息来选择最强能量信标节点。这里，选择BN2作为信标网络中的区域参考节点，并且Dbi（d32，d22，d12）和Dbi（D12，D22，D32）是实际距离和从参考节点到信标的测量距离节点，分别。 C1被附加到信标节点BN2，并且它仅接收用于从节点BN2及其相邻信标节点BN1和BN3的广播信息。Ci（C1，C2，C3）为从C1到BN2的距离，BN3为RSSI衰减。为了得到未知节点C1的位置信息，从移动从节点BN2到相邻信标节点（BN3，BN1）可以计算如下：

从移动节点到信标节点的差异校正因子的距离可以表示为

，其中是从移动从属节点到相邻信标节点的差分距离的平均值。移动节点到三个信标节点的距离可以修正为：

根據上述公式，可以计算出修正距离CN1，CN2，CN3。结合三角定位算法，可以得到移动节点的二维坐标信息。

考虑到监控中心与监控节点之间的数据交换，大部分数据从监控节点流向监控中心，然后监控中心发送命令数据至设备。在这个过程中，监控节点之间的数据交换很少。因此，可以基于这些特征的组合来优化路由算法。为了将数据直接沿着群集树发送到监控中心，需要向上的垂直路由，而向监控中心发送数据到沿着群集树的节点也需要向下的垂直路由。同时，少量监控节点之间的数据交换需要启动路由发现和选择。当网络层从上层收到数据时，有必要判断它是否是广播帧。如果是这样，根据广播帧的处理开始处理数据，具体参照ZigBee协议。然后，网络层决定是否将数据发送到监控中心。如果是这样，数据将作为下一跳路由直接发送到父节点；若没有，数据将通过下一个已知的跳转路由发送。如果节点不具备路由发现能力或者无法执行路由选择，则仍沿着树进行路由。如果数据从监控中心发送到监控节点，则需要将数据发送到CAN总线，以便固定节点查看自己的PAN ID。如果是正确的，则垂直向下路由可以沿着群集树跳转到目标节点。

4结论与展望

本文构建了基于ZigBee的地下无线传感器网络，统一了设备访问框架，创建了不同地下物理传感器设备的图形用户界面，使得传感器可以与其他资源轻松结合。实验证明，基于ZigBee的煤矿安全监控方法能有效地改善采矿业运营的效率，提高煤矿整体的开采安全水平，为地下矿山的决策和实时控制提供了有力的支持。

参考文献

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