礦井定位及瓦斯系統(tǒng)方案

zigbee技術介紹：

（1）zigbee簡介：ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，完整的協(xié)議棧只有32KB，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。這些特點決定ZigBee技術非常適合應用在無線傳感器網(wǎng)絡中。與現(xiàn)有的各種無線通信技術相比，ZigBee技術在功耗和成本上相對較低，有很大的優(yōu)勢。本文研究設計的礦井人員定位及瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)就是基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡，用于實時定位井下人員的位置及監(jiān)測礦井空氣中的瓦斯?jié)舛龋瑢崿F(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、便于安裝性、低成本、節(jié)能和實際可行性，從而給煤礦生產(chǎn)工作的順利進行提供一定的保障，為礦井的防災、減災以及提高生產(chǎn)效率方面發(fā)揮一定的作用。

（2）zigbee技術特點：

◇ 物理層RF 通信鏈接直序擴頻采用高處理增益；明晰的信道檢測；對干擾能量進行檢測；采用跳頻技術Frequency agility；
◇ 協(xié)議 基于CRC的誤碼檢測/校正；采取了避免沖突的策略CSMA/CA；為固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用的有保證的時隙；發(fā)送的數(shù)據(jù)包都有待于接受方的確認，如出現(xiàn)問題進行重發(fā)；保持數(shù)據(jù)包的及時傳輸Packet data freshness；
◇ 通信可靠機制 zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；明晰的信道檢測；MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。
◇ 網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強 zigbee的自組織功能：無需人工干預，網(wǎng)絡節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網(wǎng)絡；zigbee自愈功能：增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工干預，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。

（3）zigbee的技術優(yōu)勢：

◇ 數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒~250KB /秒，專注于低傳輸應用
◇ 功耗低：在低功耗待機模式下，兩節(jié)普通5號電池可使用6~24個月；
◇ 成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本；
◇ 網(wǎng)絡容量大：網(wǎng)絡可容納65,000個設備；
◇ 時延短：典型搜索設備時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。
◇ 網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強，通信可靠；
◇ 數(shù)據(jù)安全： ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法（美國新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各個應用可靈活確定其安全屬性
◇ 工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費）的頻段

（4）zigbee 網(wǎng)絡設備：

◇ 網(wǎng)絡協(xié)調器：包含所有的網(wǎng)絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發(fā)送網(wǎng)絡信標、建立一個網(wǎng)絡、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息、不斷地接收信息。
◇ 全功能設備(FFD)：可以擔任網(wǎng)絡協(xié)調者，形成網(wǎng)絡，讓其它的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連結，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。 附帶由標準指定的全部 802.15.4 功能和所有特征 更多的存儲器、計算能力可使其在空閑時起網(wǎng)絡路由器作用。 也能用作終端設備
◇ 精簡功能設備(RFD)：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。 附帶有限的功能來控制成本和復雜性 在網(wǎng)絡中通常用作終端設備。 ZigBee相對簡單的實現(xiàn)自然節(jié)省了費用。RFD由于省掉了內存和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。

方案介紹：

（1）總體介紹：本系統(tǒng)是由多個自給供電的ZigBee節(jié)點組成的，每個ZigBee節(jié)點都可以進行周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、簡單計算以及與其他節(jié)點及外界進行通信，從而使得眾多的傳感器和zigbee手持終端可以通過協(xié)同工作進行高質量的通訊，組成一個容錯性較好的采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包括ZigBee精簡節(jié)點、ZigBee全功能節(jié)點和zigbee路由節(jié)點，整體系統(tǒng)結構如下圖，其中ZigBee全功能節(jié)點主要用于組合從各個瓦斯傳感器節(jié)點得到的數(shù)據(jù)以及負責與外界的通信，該節(jié)點基于嵌入式系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用部分網(wǎng)狀(Partial Mesh)拓撲結構，其主要好處是每個節(jié)點的范圍都成倍地擴大了，沒有最大通信距離的限制，因為它所有的節(jié)點都被用作中繼器或路由器。這樣在所有節(jié)點中都能實現(xiàn)冗余路徑。

（2）網(wǎng)絡結構圖：

（3）功能描述：

◇ ZigBee全功能節(jié)點 主要功能是采集瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)和終端節(jié)點的接力數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee路由節(jié)點或相鄰的全功能節(jié)點。ZigBee節(jié)點主要由傳感器模塊、通訊模塊、存儲模塊和電源管理模塊組成，包括電源模塊指示燈/開關、傳感器模塊接口、天線接口等。傳感器有很多種類，可以檢測溫濕度、光照、噪聲、振動、磁場、加速度、氣體濃度等物理量。本系統(tǒng)采用的傳感器模塊采用瓦斯傳感器和溫濕度傳感器。瓦斯傳感器采用高靈敏度低功耗瓦斯傳感器，它以二氧化錫為基本敏感材料，專門用于可燃氣濃度檢測的一種半導體型氣體傳感器。它的基本特征是：極高靈敏度和極快的響應速度且低功耗。適用于對瓦斯等可燃氣濃度的檢測，用于瓦斯報警器，可燃氣報警器，瓦斯檢測儀等。該傳感器體積小，耗電低，應用電路簡單，報警濃度為甲烷≥1％，響應時間≤20s，恢復時間≤30s，工作溫度范圍-15℃～+50℃，濕度≤97％RH，靜態(tài)功耗為150mW，報警狀態(tài)功耗為300mW，供電電壓為3～5VDC。傳感器敏感組件的電阻RS的變化表現(xiàn)為負載電阻RL上的電壓變化。驅動電壓VH、負載電阻RL以及檢測電壓VD的取值參照公司提供的典型資料，以使傳感器處于最佳工作狀態(tài)。

◇ zigbee終端節(jié)點 該節(jié)點主要完成由手持zigbee終端組成，完成井下人員的定位功能。其原理如下：井下人員佩帶zigbee終端，終端與全功能節(jié)點或路由節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互，監(jiān)控人員根據(jù)路由節(jié)點傳回的信息，得知井下人員的大致位置。為保證人員區(qū)域檢測，最大限度的降低終端功耗，采用路由節(jié)點偵聽，終端呼叫方案：路由節(jié)點在平時工作在偵聽狀態(tài)；終端工作在休眠待機狀態(tài)，每隔3秒發(fā)送一次呼叫，和區(qū)域內的全功能節(jié)點或路由節(jié)點建立鏈接，確認信息，內置重發(fā)機制。
◇ 路由節(jié)點 主要完成數(shù)據(jù)的無線通訊任務，并實時監(jiān)測各個終端節(jié)點位置，完成人員定位工作。在遠距離傳輸時，路由節(jié)點可以同RS485總線相連，完成路由節(jié)點同GPRS DTU的通訊任務。