ZigBee煤矿井救援系统中应解决方案
(哈尔滨工程学计算机科学技术学院哈尔滨150001)
1引言
年着煤炭需求高速增长煤炭工业发展煤矿重特事时发生未实现灾害事效控制事发生准确判定井生产作业员受困位置遇险员撤退路线井环境监测情况时准确制定救援方案事救援十分重十分紧迫务煤矿井救援系统分系统基ZigBee技术井员线定位系统背景进行研究开发
目前矿井线通信技术透通信技术中远距离射频感应通信技术漏泄通信技术矿井移动通信技术等述技术成木较高功耗相较抗干扰力相较差等足程度阻碍矿业行业推广应木文提出基ZigBee技术煤矿井线网络通信系统成功解决述问题
2煤矿井救援系统功关键技术
统计分析表明全国煤矿瓦斯事数占事总数约70木煤矿井救援系统侧重瓦斯事救援理系统功煤矿井瓦斯实时监测数采集传输处理出现瓦斯事进行预警救援支持包括瓦斯传感器井作业员等种属性数信息实时显示电子图关消息网发布等煤矿井救援系统建设利安全监察部门行业理部门政府部门中介机构舆媒体协工作利实时发现重事隐患动态排查隐患踪安全整改隐患处理事发生前限度避免事发生形成预警体系
21GIS
理信息系统（Geographic Information Systans GIS)信息系统种表征球表层空间理现象事物理空间数信息特定运作象国换言理信息系统理空间数进行处理加工提取理空间信息知识系统总起说理信息系统包括功例理空间数采集存储显示操作理分析建立分析模型文采GIS技术球表层空间数延伸球表层井巷道图设备分布图瓦斯传感器分布图瓦斯监测数员动态信息等空间数属性数理
22线传感器网络
线传感器网络基4G第四代线通信技术3A适应天线阵分布式网格计算技术融合传统传感监测技术代网络（NGN）
线传感器网络传统线网络（W LAN蜂窝移动电话网络)着设计目标者高度移动环境中通优化路资源理策略化带宽利率时户提供定服务质量保证团线传感器网络中少数节点需移动外部分节点静正中设备体积耗低通线网络传播信息传统传感器言具拟优势微智传感设备组成网络取代传统传感设备完成许传统控制监视设备做务国外已成熟应环境军事水利电力医疗楼宇监测交通制造矿业井作业等许领域里线传感器网络极应价值
典型线传感器网络撇日图1示该线传感器网络众网络节点组成节点间采线通信节点包括普通节点Sink节点网关节点普通节点Sink节点完成数采集跳中继传输网关节点完成线线信号转换实现太网接入节点组织形式构成网络通跳中继方式监测数传sink节点终助长距离时建立链路整区域数传送远程中心进行集中处理
23种线传输技术较
蓝牙技术爱立信诺基亚IBM等公司1998年率先推出通信信息设备线连接WiFi（线高保真)种线通信协议目提供W LAN接入ZigBee英国美国荷兰日木著名公司2002年联合推出低成木低功耗短距离传输线连接技术UWB超宽带技术称脉线发射技术指占带宽中心频率14带宽15G线发射方案作商线通信技术ZigBee B1ueTeeth UWB W i－Fi进行性较[4 5 6]表1示
表1中出低功耗低成木ZigBee技术优势恰适煤矿井巷道曲折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着较低数传输率传输速度够满足井员定位系统需求
24ZigBee
ZigBee种采成熟线通讯技术全球统标准开放线传感器网络IEEE 802154协议基础182 200624
计算机工程应全球免费频段进行通讯够三频段通讯全球通频段2400GHz2484GHz欧洲采频段8680 MHz 8686 6MHz美国采频段902MHz 928MHz传输速率分250kbps 20kbps40kbps通讯距离理值10m 75m
ZigBee显著技术特点低功耗低成木采较低数传输率较低工作频段容量更Stack设备ZigBee模块未情况进入休眠状态整体降低功耗
ZigBee体系结构图2示中物理层介质访问层数链路层基IEEE802154线局域网(WPAN)标准协议ZigBeeIEEE802154标准基础建立网络层应支持层包括巨数量节点处理节点数达65000[3])ZigBee设备象户定义应轮廓应支持层等应层户根需进行开发
3基ZigBee技术井员定位
结合煤矿井生产作业特殊性求采基Z igBee线传感器网络技术实现巷道员定位通基ZigBee线组网络员位置参数实时传输煤矿井救援系统够进行实时监测危险情况时报警时通知井作业员事发生辅助快速制定救援方案减少员伤亡
31硬件环境
实现基线定位技术井员定位需高性微型计算机采双显示器双硬盘CPU频低26GH z存512M硬盘120G显示器低19英寸图形显示卡显存低256M支持双屏幕显示CDRW磁带机采专业图形工作站(求双显示器双硬盘)飞思卡尔公司24GHz MC13192射频收发器数调制解调器
32软件环境
定位系统Microsoft Windows 2000 Server操作系统环境开发采开发工具VB net选MapX50Map info Professional75完成系统G1S部分开发台数库Oracle数库系统飞思卡尔公司MC 13192+GT60开发套件工具
33数通讯网络组成
定位系统中网络ZigBee线组网络太网Ethernet (IEEE 8023)线网络组成网络覆盖整巷道前端构建ZigBee网络进行数采集传输端Ethernet构成数传输骨干通道
井巷道线电力供应严格限制Z igBee器件电池供电节电池少够6月符合低功耗特点Ethe rne侧络巷道部分高容量电池驱动中电池理更换应专门制定政策(Policy)控制监保证整系统正常运行
保证ZigBee网络稳定性长型巷道中数ZigBee网络覆盖ZigBee网络覆盖定范围(具体覆盖范围现场状况决定约300mZigBee子网)ZigBee网络间两种方法进行区分网络ID频段(Channel)
ZigBee网络拓扑结构图3示网络分井井两部分井部分煤矿井救援系统相关设备网络井部分线传感器网络相关设备网络
34井员定位
井员定位程井员佩带系统ZigBee定位模块模块定时发出存信息分布巷道中路节点接收根信号强度判断位置井员位置相关信息井路节点干路节点跳传)传接入节点接入节点传入太网通基ZigBee技术线组网络传输煤矿井救援系统达实时判知员位置目
井员定位系统组成示意图图4示中组成部件
①定位节点定时发出存信息携带工作员定位
②路节点接收定位节点发出信息信息路(跳传)接入节点
③接入节点接受路节点数通太网络发送监察系统接入节点ZigBee组织者通太网关太网相连网关ZigBee接入节点通RS232串口进行通讯连接
面图4中定位节点D1D2D3路路径分加说明DLJ分表示定位节点路节点接入节点
图4中出D1时处L2L3检测范围D1障碍物阻挡L3通讯L2通讯路路径
D1→ L2→ Ll →Jl→太网
D3时处L3L4检测范围D3障碍物阻挡L3通讯L4通讯路路径
D3→ L4→L5→ J2→太网
D2时处L3L4检测范围D2没障碍物阻挡L3L4时通讯路路径
D2→L4→L5→J2→太网
D2→L3→L2→Ll→Jl→太网
系统工作时需定位节点附着井员身位置信息通ZigBee网络太网络送入煤矿井救援系统助GIS技术员位置信息电子图实时标出定位程中需实现两关键技术
(1) ZigBee节点标识ZigBee节点64位永久址作唯性标识址映射应层意义名字节点进行身份辩认
(2)定位判定移动中定位节点ZigBee网络进入ZigBee网络中接收定位节点信号路节点决定位置位置判断两线信号参数LQI (Link Quality Indicator)SSI (Signal Strength Indicator)两值路节点接收定位节点信号出位置判断精度取决路节点分布密度需根现场实际情况方决定
4结束语
文提出种基ZigBee技术井员线定位系统开发该技术够提高煤矿井救援系统救援程中积极作事救援提供高信重数资料减少事发生性降低员伤亡木系统目前已黑龙江省双鸭山矿业集团成功应推广取良社会济效益
然目前定位系统中定位节点起理定位作果瓦斯传感器环境监测传感器等种传感器定位节点结合井生产作业区温湿度氧含量毒害气体含量粉尘含量等种环境参数通线网络传送煤矿井救援系统实现实时监测煤炭行业相关行业稳健康发展疑重意义重视历史数收集积累煤炭行业职业病典型尘肺病)效防治提供支持述容工作中作进步研究
参考文献
1刘南刘仁义理信息系统[M]高等教育出版社2004
2丰原黄海宁林闯线传感器网络[J]软件学报200314(7)
12821291
3MohanmadUpalMahfuzKazi M AhmedA review of micronanoscale wireless sensor networks for envirormental protection Prospects and challenges[J]Science and Technology of Advanced Materials 2005 (6) 302 306
4原弈苏鸿根基ZigBee技术线网络研究[J]计算机应软件200Ak21(6) 89 91
5wwwzigbeeorg
6httpBluetoothconBluetoothLeamTechnologyConpareTechnical
文档香网(httpswwwxiangdangnet)户传
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(哈尔滨工程学计算机科学技术学院哈尔滨150001)
1引言
年着煤炭需求高速增长煤炭工业发展煤矿重特事时发生未实现灾害事效控制事发生准确判定井生产作业员受困位置遇险员撤退路线井环境监测情况时准确制定救援方案事救援十分重十分紧迫务煤矿井救援系统分系统基ZigBee技术井员线定位系统背景进行研究开发
目前矿井线通信技术透通信技术中远距离射频感应通信技术漏泄通信技术矿井移动通信技术等述技术成木较高功耗相较抗干扰力相较差等足程度阻碍矿业行业推广应木文提出基ZigBee技术煤矿井线网络通信系统成功解决述问题
2煤矿井救援系统功关键技术
统计分析表明全国煤矿瓦斯事数占事总数约70木煤矿井救援系统侧重瓦斯事救援理系统功煤矿井瓦斯实时监测数采集传输处理出现瓦斯事进行预警救援支持包括瓦斯传感器井作业员等种属性数信息实时显示电子图关消息网发布等煤矿井救援系统建设利安全监察部门行业理部门政府部门中介机构舆媒体协工作利实时发现重事隐患动态排查隐患踪安全整改隐患处理事发生前限度避免事发生形成预警体系
21GIS
理信息系统（Geographic Information Systans GIS)信息系统种表征球表层空间理现象事物理空间数信息特定运作象国换言理信息系统理空间数进行处理加工提取理空间信息知识系统总起说理信息系统包括功例理空间数采集存储显示操作理分析建立分析模型文采GIS技术球表层空间数延伸球表层井巷道图设备分布图瓦斯传感器分布图瓦斯监测数员动态信息等空间数属性数理
22线传感器网络
线传感器网络基4G第四代线通信技术3A适应天线阵分布式网格计算技术融合传统传感监测技术代网络（NGN）
线传感器网络传统线网络（W LAN蜂窝移动电话网络)着设计目标者高度移动环境中通优化路资源理策略化带宽利率时户提供定服务质量保证团线传感器网络中少数节点需移动外部分节点静正中设备体积耗低通线网络传播信息传统传感器言具拟优势微智传感设备组成网络取代传统传感设备完成许传统控制监视设备做务国外已成熟应环境军事水利电力医疗楼宇监测交通制造矿业井作业等许领域里线传感器网络极应价值
典型线传感器网络撇日图1示该线传感器网络众网络节点组成节点间采线通信节点包括普通节点Sink节点网关节点普通节点Sink节点完成数采集跳中继传输网关节点完成线线信号转换实现太网接入节点组织形式构成网络通跳中继方式监测数传sink节点终助长距离时建立链路整区域数传送远程中心进行集中处理
23种线传输技术较
蓝牙技术爱立信诺基亚IBM等公司1998年率先推出通信信息设备线连接WiFi（线高保真)种线通信协议目提供W LAN接入ZigBee英国美国荷兰日木著名公司2002年联合推出低成木低功耗短距离传输线连接技术UWB超宽带技术称脉线发射技术指占带宽中心频率14带宽15G线发射方案作商线通信技术ZigBee B1ueTeeth UWB W i－Fi进行性较[4 5 6]表1示
表1中出低功耗低成木ZigBee技术优势恰适煤矿井巷道曲折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着较低数传输率传输速度够满足井员定位系统需求
24ZigBee
ZigBee种采成熟线通讯技术全球统标准开放线传感器网络IEEE 802154协议基础182 200624
计算机工程应全球免费频段进行通讯够三频段通讯全球通频段2400GHz2484GHz欧洲采频段8680 MHz 8686 6MHz美国采频段902MHz 928MHz传输速率分250kbps 20kbps40kbps通讯距离理值10m 75m
ZigBee显著技术特点低功耗低成木采较低数传输率较低工作频段容量更Stack设备ZigBee模块未情况进入休眠状态整体降低功耗
ZigBee体系结构图2示中物理层介质访问层数链路层基IEEE802154线局域网(WPAN)标准协议ZigBeeIEEE802154标准基础建立网络层应支持层包括巨数量节点处理节点数达65000[3])ZigBee设备象户定义应轮廓应支持层等应层户根需进行开发
3基ZigBee技术井员定位
结合煤矿井生产作业特殊性求采基Z igBee线传感器网络技术实现巷道员定位通基ZigBee线组网络员位置参数实时传输煤矿井救援系统够进行实时监测危险情况时报警时通知井作业员事发生辅助快速制定救援方案减少员伤亡
31硬件环境
实现基线定位技术井员定位需高性微型计算机采双显示器双硬盘CPU频低26GH z存512M硬盘120G显示器低19英寸图形显示卡显存低256M支持双屏幕显示CDRW磁带机采专业图形工作站(求双显示器双硬盘)飞思卡尔公司24GHz MC13192射频收发器数调制解调器
32软件环境
定位系统Microsoft Windows 2000 Server操作系统环境开发采开发工具VB net选MapX50Map info Professional75完成系统G1S部分开发台数库Oracle数库系统飞思卡尔公司MC 13192+GT60开发套件工具
33数通讯网络组成
定位系统中网络ZigBee线组网络太网Ethernet (IEEE 8023)线网络组成网络覆盖整巷道前端构建ZigBee网络进行数采集传输端Ethernet构成数传输骨干通道
井巷道线电力供应严格限制Z igBee器件电池供电节电池少够6月符合低功耗特点Ethe rne侧络巷道部分高容量电池驱动中电池理更换应专门制定政策(Policy)控制监保证整系统正常运行
保证ZigBee网络稳定性长型巷道中数ZigBee网络覆盖ZigBee网络覆盖定范围(具体覆盖范围现场状况决定约300mZigBee子网)ZigBee网络间两种方法进行区分网络ID频段(Channel)
ZigBee网络拓扑结构图3示网络分井井两部分井部分煤矿井救援系统相关设备网络井部分线传感器网络相关设备网络
34井员定位
井员定位程井员佩带系统ZigBee定位模块模块定时发出存信息分布巷道中路节点接收根信号强度判断位置井员位置相关信息井路节点干路节点跳传)传接入节点接入节点传入太网通基ZigBee技术线组网络传输煤矿井救援系统达实时判知员位置目
井员定位系统组成示意图图4示中组成部件
①定位节点定时发出存信息携带工作员定位
②路节点接收定位节点发出信息信息路(跳传)接入节点
③接入节点接受路节点数通太网络发送监察系统接入节点ZigBee组织者通太网关太网相连网关ZigBee接入节点通RS232串口进行通讯连接
面图4中定位节点D1D2D3路路径分加说明DLJ分表示定位节点路节点接入节点
图4中出D1时处L2L3检测范围D1障碍物阻挡L3通讯L2通讯路路径
D1→ L2→ Ll →Jl→太网
D3时处L3L4检测范围D3障碍物阻挡L3通讯L4通讯路路径
D3→ L4→L5→ J2→太网
D2时处L3L4检测范围D2没障碍物阻挡L3L4时通讯路路径
D2→L4→L5→J2→太网
D2→L3→L2→Ll→Jl→太网
系统工作时需定位节点附着井员身位置信息通ZigBee网络太网络送入煤矿井救援系统助GIS技术员位置信息电子图实时标出定位程中需实现两关键技术
(1) ZigBee节点标识ZigBee节点64位永久址作唯性标识址映射应层意义名字节点进行身份辩认
(2)定位判定移动中定位节点ZigBee网络进入ZigBee网络中接收定位节点信号路节点决定位置位置判断两线信号参数LQI (Link Quality Indicator)SSI (Signal Strength Indicator)两值路节点接收定位节点信号出位置判断精度取决路节点分布密度需根现场实际情况方决定
4结束语
文提出种基ZigBee技术井员线定位系统开发该技术够提高煤矿井救援系统救援程中积极作事救援提供高信重数资料减少事发生性降低员伤亡木系统目前已黑龙江省双鸭山矿业集团成功应推广取良社会济效益
然目前定位系统中定位节点起理定位作果瓦斯传感器环境监测传感器等种传感器定位节点结合井生产作业区温湿度氧含量毒害气体含量粉尘含量等种环境参数通线网络传送煤矿井救援系统实现实时监测煤炭行业相关行业稳健康发展疑重意义重视历史数收集积累煤炭行业职业病典型尘肺病)效防治提供支持述容工作中作进步研究
参考文献
1刘南刘仁义理信息系统[M]高等教育出版社2004
2丰原黄海宁林闯线传感器网络[J]软件学报200314(7)
12821291
3MohanmadUpalMahfuzKazi M AhmedA review of micronanoscale wireless sensor networks for envirormental protection Prospects and challenges[J]Science and Technology of Advanced Materials 2005 (6) 302 306
4原弈苏鸿根基ZigBee技术线网络研究[J]计算机应软件200Ak21(6) 89 91
5wwwzigbeeorg
6httpBluetoothconBluetoothLeamTechnologyConpareTechnical
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