ZigBee技術(shù)及其在礦山中的應(yīng)用
時間：2009-07-03 10:28:47
關(guān)鍵字：
ZIGBEE技術(shù)
移動
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點
網(wǎng)絡(luò)層
手機看文章
掃描二維碼
隨時隨地手機看文章
[導(dǎo)讀]通過建立定位網(wǎng)絡(luò)、建立移動目標的無線身份碼和移動目標位置的確定，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于礦山井下人員的定位和各種安全生產(chǎn)要素以及井下環(huán)境（如瓦斯、溫度、濕度等環(huán)境指標）的監(jiān)測。
1．引言
近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，人們對無線通信的要求越來越高，短程、低速、廉價的“ZigBee”無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正逐漸成為關(guān)注的焦點。ZigBee技術(shù)[1]是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是最低功耗和成本的技術(shù),也是目前嵌入式應(yīng)用的一大熱點。
目前，國內(nèi)的煤炭生產(chǎn)安全事故不斷發(fā)生，特別是瓦斯爆炸事故接連發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)帶來了巨大損失。面對現(xiàn)實情況，不斷加強災(zāi)害預(yù)防、事故救助等措施將事故帶來的損失降至最低，已經(jīng)成為當務(wù)之急。因此，實現(xiàn)井下人員的定位和各種安全生產(chǎn)要素以及井下環(huán)境（如瓦斯、溫度、濕度等環(huán)境指標）的無人自動采集尤為重要。由于礦山井下環(huán)境復(fù)雜，對功耗、抗干擾性等方面有較嚴格的要求，因此可以選擇ZigBee技術(shù)的無線通訊網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)井下環(huán)境監(jiān)測和人員定位。目前許多公司對于ZigBee技術(shù)應(yīng)用都有一定的研究[2]。
2. ZigBee技術(shù)
ZigBee是基于IEEE 802. 15. 4的無線通信協(xié)議,它是一種短距離、低功耗協(xié)議,專用于小型設(shè)備如溫度調(diào)節(jié)裝置、照明控制器、鎮(zhèn)流器、環(huán)境檢測傳感器與醫(yī)療設(shè)備等。一個基于ZigBee的無線個域網(wǎng)(WPAN)能持高達254個節(jié)點,外加一個全功能器件,即實現(xiàn)雙向通訊。
ZigBee技術(shù)的較低數(shù)據(jù)速率以及較小通信范圍的特點決定ZigBee技術(shù)適于承載數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務(wù)。
2．1 ZigBee 聯(lián)盟
ZigBee 技術(shù)的物理層和鏈路層主要采用IEE802.15.4標準，而網(wǎng)絡(luò)層、安全協(xié)議、應(yīng)用文檔以及市場推廣由ZigBee 聯(lián)盟[3]負責。ZigBee 聯(lián)盟成立立于2002年8月, 由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成, 如今已吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入。
2．2 ZigBee協(xié)議棧
ZigBee 協(xié)議棧[4]采用分層結(jié)構(gòu), 包括: 物理層(PHY Layer)、媒體接入控制層(MAC Layer)、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。如圖1所示。
網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定, IEEE組織負責定制PHY 層和MAC 層標準。應(yīng)用層包括應(yīng)用對象終端設(shè)備和應(yīng)用接口層, 且最多只能包含31 個應(yīng)用對象。應(yīng)用接口層將主要負責把不同的應(yīng)用映射到ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層上, 其中包括: 安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)及業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層主要考慮采用基于ad2hoc 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議, 包含以下功能: 通用的網(wǎng)絡(luò)層功能, 拓撲結(jié)構(gòu)的搭建和維護, 命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù), 包含了尋址、路由和安全，有自組織、自維護功能, 以最大程度減少消費者的開支和維護成本。媒體接入控制層協(xié)議包括以下功能: 設(shè)備間無線鏈路的建立、維護和取消; 確認模式的幀傳送與接收; 信道接入控制; 幀校驗; 預(yù)留時隙管理; 廣播信息管理。
2．3 ZigBee 技術(shù)的特點
ZigBee 技術(shù)的具有以下特點[5]：
① 低功耗:由于ZigBee 的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算,ZigBee 設(shè)備僅靠兩節(jié)5 號電池就可以維持長達6 個月到2 年左右的使用時間,其功耗遠遠小于其它無線設(shè)備。
② 成本低: ZigBee 模塊的初始成本在6 美元左右,估計很快就能降到115～215 美元,并且ZigBee 協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee 也是一個關(guān)鍵的因素。
③ 時延短:通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短,典型的搜索設(shè)備時延為30ms ,休眠激活的時延是15ms ,活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee 技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等) 應(yīng)用。
④ 網(wǎng)絡(luò)容量大:一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254 個從設(shè)備和一個主設(shè)備,而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。
⑤ 可靠:采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC 層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。
⑥ 安全:ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認證,采用了AES - 128 的加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
正是這些全新的特點，將使ZigBee技術(shù)將在無線數(shù)傳，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線實時定位，射頻識別，數(shù)字家庭，安全監(jiān)視，無線鍵盤，無線遙控器，無線抄表，汽車電子，醫(yī)療電子，礦山井下環(huán)境監(jiān)測等方面得到非常廣闊的應(yīng)用。
3．ZigBee在礦山中的應(yīng)用
利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)井下人員的定位和各種安全生產(chǎn)要素以及井下環(huán)境（如瓦斯、溫度、濕度等環(huán)境指標）的無人自動采集。從而，在事故發(fā)生前，安全生產(chǎn)監(jiān)控中心，可以隨時掌握井下不同位置的各種安全生產(chǎn)的要素。從而采取積極有效的預(yù)防措施；事故發(fā)生后，可以掌握事故發(fā)生當時，甚至事故發(fā)生后相當一段時間內(nèi)，井下工作人員的具體分布位置，不同位置的瓦斯?jié)舛鹊惹闆r，從而制定及時有效的搶救措施，并實施有效的現(xiàn)場搶救指揮。
3．1 建立定位網(wǎng)絡(luò)
根據(jù)現(xiàn)場實際需要，沿坑道每隔一定距離（50 - 500米）在坑道頂部設(shè)置一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊（可采用電池驅(qū)動或使用其他電源），同時在其他需要定位和網(wǎng)絡(luò)連接的地方，也安置一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊；為了避免井下環(huán)境對無線信號的干擾，所有無線網(wǎng)絡(luò)模塊使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式，而且，每個模塊都有接收信號強弱指示功能（RSSI）。
所安置的網(wǎng)絡(luò)模塊將自動組成一個ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)[6]，在布置網(wǎng)絡(luò)模塊的位置時，注意應(yīng)使每個模塊至少可與兩個以上的模塊進行通信，即避免單線聯(lián)系以保證ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。這個通信網(wǎng)絡(luò)實際就是一個定位網(wǎng)絡(luò)，每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就是一個定位點，不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點體積要小得多，耗電也小，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的通信，不需要使用光纖或通信電纜連接。
3．2 建立移動目標的無線身份碼
每一個需要定位的移動目標（例如礦工），都需要隨身攜帶一個無線身份卡，或固定在安全帽上的一個紐扣電池驅(qū)動的全封閉的模塊約（50 x 40 x 8 mm）大小，每個模塊的發(fā)射功率小于1mW.
為了增加電池使用壽命，無線身份模塊每隔10 – 30 秒發(fā)射一個身份碼信號。為了避免井下環(huán)境對無線信號的干擾，所有無線身份卡模塊使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式；該無線身份模塊與瓦斯探測傳感器等相連，當出現(xiàn)瓦斯超標時，該無線模塊可以立即通過ZigBee網(wǎng)絡(luò),將報警信號傳往監(jiān)控中心，必要時，將同時啟動其它聯(lián)動的應(yīng)急設(shè)備；
3．3 移動目標位置的確定
當移動目標在不同的位置發(fā)射身份碼信號時，如果定位精度要求不高，坑道情況比較復(fù)雜時，人員密度較高時，則將任何一個接收到該移動目標身份碼信息的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置，當作移動目標位置，這種方法往往需要較小的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間距（例如50米），和較小的無線身份模塊的發(fā)射功率。
當定位精度要求較高，坑道環(huán)境相對簡單時，則可使用兩點信號強度定位法；即當移動目標在不同的位置發(fā)射身份碼信號時，處于該移動目標兩端的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，因距該移動目標距離遠近的不同，所收到的信號強度也不同。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)將把該移動目標身份碼，以及在相應(yīng)的兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收到該身份碼時的信號強度傳往控制中心，通過簡單計算，再加上現(xiàn)場實測效正，很容易確定該移動目標的位置。
在使用以上方法定位時，為了進一步提高定位的準確性，還需要對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，移動目標節(jié)點收發(fā)機的接收靈敏度，和發(fā)射功率進行適當?shù)恼{(diào)整。
4.結(jié)束語
ZigBee所具有的短距離、低成本、低功耗、易實現(xiàn)、安全可靠的優(yōu)點非常適合于礦山井下環(huán)境監(jiān)測、人員定位。這是一種適用于大中型礦井的無線網(wǎng)絡(luò)，能夠有效的了解礦山井下運行環(huán)境參數(shù)，及時調(diào)度生產(chǎn)，防止事故的發(fā)生，安全生產(chǎn)。在大中礦井和工廠具有良好的推廣應(yīng)用前景。
近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，人們對無線通信的要求越來越高，短程、低速、廉價的“ZigBee”無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正逐漸成為關(guān)注的焦點。ZigBee技術(shù)[1]是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是最低功耗和成本的技術(shù),也是目前嵌入式應(yīng)用的一大熱點。
目前，國內(nèi)的煤炭生產(chǎn)安全事故不斷發(fā)生，特別是瓦斯爆炸事故接連發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)帶來了巨大損失。面對現(xiàn)實情況，不斷加強災(zāi)害預(yù)防、事故救助等措施將事故帶來的損失降至最低，已經(jīng)成為當務(wù)之急。因此，實現(xiàn)井下人員的定位和各種安全生產(chǎn)要素以及井下環(huán)境（如瓦斯、溫度、濕度等環(huán)境指標）的無人自動采集尤為重要。由于礦山井下環(huán)境復(fù)雜，對功耗、抗干擾性等方面有較嚴格的要求，因此可以選擇ZigBee技術(shù)的無線通訊網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)井下環(huán)境監(jiān)測和人員定位。目前許多公司對于ZigBee技術(shù)應(yīng)用都有一定的研究[2]。
2. ZigBee技術(shù)
ZigBee是基于IEEE 802. 15. 4的無線通信協(xié)議,它是一種短距離、低功耗協(xié)議,專用于小型設(shè)備如溫度調(diào)節(jié)裝置、照明控制器、鎮(zhèn)流器、環(huán)境檢測傳感器與醫(yī)療設(shè)備等。一個基于ZigBee的無線個域網(wǎng)(WPAN)能持高達254個節(jié)點,外加一個全功能器件,即實現(xiàn)雙向通訊。
ZigBee技術(shù)的較低數(shù)據(jù)速率以及較小通信范圍的特點決定ZigBee技術(shù)適于承載數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務(wù)。
2．1 ZigBee 聯(lián)盟
ZigBee 技術(shù)的物理層和鏈路層主要采用IEE802.15.4標準，而網(wǎng)絡(luò)層、安全協(xié)議、應(yīng)用文檔以及市場推廣由ZigBee 聯(lián)盟[3]負責。ZigBee 聯(lián)盟成立立于2002年8月, 由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成, 如今已吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入。
2．2 ZigBee協(xié)議棧
ZigBee 協(xié)議棧[4]采用分層結(jié)構(gòu), 包括: 物理層(PHY Layer)、媒體接入控制層(MAC Layer)、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。如圖1所示。
網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定, IEEE組織負責定制PHY 層和MAC 層標準。應(yīng)用層包括應(yīng)用對象終端設(shè)備和應(yīng)用接口層, 且最多只能包含31 個應(yīng)用對象。應(yīng)用接口層將主要負責把不同的應(yīng)用映射到ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層上, 其中包括: 安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)及業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層主要考慮采用基于ad2hoc 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議, 包含以下功能: 通用的網(wǎng)絡(luò)層功能, 拓撲結(jié)構(gòu)的搭建和維護, 命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù), 包含了尋址、路由和安全，有自組織、自維護功能, 以最大程度減少消費者的開支和維護成本。媒體接入控制層協(xié)議包括以下功能: 設(shè)備間無線鏈路的建立、維護和取消; 確認模式的幀傳送與接收; 信道接入控制; 幀校驗; 預(yù)留時隙管理; 廣播信息管理。
2．3 ZigBee 技術(shù)的特點
ZigBee 技術(shù)的具有以下特點[5]：
① 低功耗:由于ZigBee 的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算,ZigBee 設(shè)備僅靠兩節(jié)5 號電池就可以維持長達6 個月到2 年左右的使用時間,其功耗遠遠小于其它無線設(shè)備。
② 成本低: ZigBee 模塊的初始成本在6 美元左右,估計很快就能降到115～215 美元,并且ZigBee 協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee 也是一個關(guān)鍵的因素。
③ 時延短:通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短,典型的搜索設(shè)備時延為30ms ,休眠激活的時延是15ms ,活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee 技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等) 應(yīng)用。
④ 網(wǎng)絡(luò)容量大:一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254 個從設(shè)備和一個主設(shè)備,而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。
⑤ 可靠:采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC 層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。
⑥ 安全:ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認證,采用了AES - 128 的加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
正是這些全新的特點，將使ZigBee技術(shù)將在無線數(shù)傳，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線實時定位，射頻識別，數(shù)字家庭，安全監(jiān)視，無線鍵盤，無線遙控器，無線抄表，汽車電子，醫(yī)療電子，礦山井下環(huán)境監(jiān)測等方面得到非常廣闊的應(yīng)用。
3．ZigBee在礦山中的應(yīng)用
利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)井下人員的定位和各種安全生產(chǎn)要素以及井下環(huán)境（如瓦斯、溫度、濕度等環(huán)境指標）的無人自動采集。從而，在事故發(fā)生前，安全生產(chǎn)監(jiān)控中心，可以隨時掌握井下不同位置的各種安全生產(chǎn)的要素。從而采取積極有效的預(yù)防措施；事故發(fā)生后，可以掌握事故發(fā)生當時，甚至事故發(fā)生后相當一段時間內(nèi)，井下工作人員的具體分布位置，不同位置的瓦斯?jié)舛鹊惹闆r，從而制定及時有效的搶救措施，并實施有效的現(xiàn)場搶救指揮。
3．1 建立定位網(wǎng)絡(luò)
根據(jù)現(xiàn)場實際需要，沿坑道每隔一定距離（50 - 500米）在坑道頂部設(shè)置一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊（可采用電池驅(qū)動或使用其他電源），同時在其他需要定位和網(wǎng)絡(luò)連接的地方，也安置一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊；為了避免井下環(huán)境對無線信號的干擾，所有無線網(wǎng)絡(luò)模塊使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式，而且，每個模塊都有接收信號強弱指示功能（RSSI）。
所安置的網(wǎng)絡(luò)模塊將自動組成一個ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)[6]，在布置網(wǎng)絡(luò)模塊的位置時，注意應(yīng)使每個模塊至少可與兩個以上的模塊進行通信，即避免單線聯(lián)系以保證ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。這個通信網(wǎng)絡(luò)實際就是一個定位網(wǎng)絡(luò)，每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就是一個定位點，不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點體積要小得多，耗電也小，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的通信，不需要使用光纖或通信電纜連接。
3．2 建立移動目標的無線身份碼
每一個需要定位的移動目標（例如礦工），都需要隨身攜帶一個無線身份卡，或固定在安全帽上的一個紐扣電池驅(qū)動的全封閉的模塊約（50 x 40 x 8 mm）大小，每個模塊的發(fā)射功率小于1mW.
為了增加電池使用壽命，無線身份模塊每隔10 – 30 秒發(fā)射一個身份碼信號。為了避免井下環(huán)境對無線信號的干擾，所有無線身份卡模塊使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式；該無線身份模塊與瓦斯探測傳感器等相連，當出現(xiàn)瓦斯超標時，該無線模塊可以立即通過ZigBee網(wǎng)絡(luò),將報警信號傳往監(jiān)控中心，必要時，將同時啟動其它聯(lián)動的應(yīng)急設(shè)備；
3．3 移動目標位置的確定
當移動目標在不同的位置發(fā)射身份碼信號時，如果定位精度要求不高，坑道情況比較復(fù)雜時，人員密度較高時，則將任何一個接收到該移動目標身份碼信息的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置，當作移動目標位置，這種方法往往需要較小的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間距（例如50米），和較小的無線身份模塊的發(fā)射功率。
當定位精度要求較高，坑道環(huán)境相對簡單時，則可使用兩點信號強度定位法；即當移動目標在不同的位置發(fā)射身份碼信號時，處于該移動目標兩端的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，因距該移動目標距離遠近的不同，所收到的信號強度也不同。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)將把該移動目標身份碼，以及在相應(yīng)的兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收到該身份碼時的信號強度傳往控制中心，通過簡單計算，再加上現(xiàn)場實測效正，很容易確定該移動目標的位置。
在使用以上方法定位時，為了進一步提高定位的準確性，還需要對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，移動目標節(jié)點收發(fā)機的接收靈敏度，和發(fā)射功率進行適當?shù)恼{(diào)整。
4.結(jié)束語
ZigBee所具有的短距離、低成本、低功耗、易實現(xiàn)、安全可靠的優(yōu)點非常適合于礦山井下環(huán)境監(jiān)測、人員定位。這是一種適用于大中型礦井的無線網(wǎng)絡(luò)，能夠有效的了解礦山井下運行環(huán)境參數(shù)，及時調(diào)度生產(chǎn)，防止事故的發(fā)生，安全生產(chǎn)。在大中礦井和工廠具有良好的推廣應(yīng)用前景。
下載文檔
