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ZigBee技術及礦山中的應用案例

作者:admin 發布日期: 2019-05-28 二維碼分享

1.引言

近年來,隨著網絡和通信技術的發展,人們對無線通信的要求越來越高,短程、低速、廉價的“ZigBee”無線網絡技術正逐漸成為關注的焦點。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術,主要適合于承載數據流量較小的業務,可嵌入各種設備中,同時支持地理定位功能。相對于現有的各種無線通信技術,ZigBee技術是.低功耗和成本的技術,也是目前嵌入式應用的一大熱點。

目前,國內的煤炭生產安全事故不斷發生,特別是瓦斯爆炸事故接連發生,給人民生命財產帶來了巨大損失。面對現實情況,不斷加強災害預防、事故救助等措施將事故帶來的損失降至.低,已經成為當務之急。因此,實現井下人員的定位和各種安全生產要素以及井下環境(如瓦斯、溫度、濕度等環境指標)的無人自動采集尤為重要。由于礦山井下環境復雜,對功耗、抗干擾性等方面有較嚴格的要求,因此可以選擇ZigBee技術的無線通訊網絡來實現井下環境監測和人員定位。正偉就這一行業寫出了相應的應用方案。


2.ZigBee技術

ZigBee是基于IEEE 802.15.4的無線通信協議,它是一種短距離、低功耗協議,專用于小型設備如溫度調節裝置、照明控制器、鎮流器、環境檢測傳感器與醫療設備等。一個基于ZigBee的無線個域網(WPAN)能持高達254個節點,外加一個全功能器件,即實現雙向通訊。

ZigBee技術的較低數據速率以及較小通信范圍的特點決定ZigBee技術適于承載數據量較小的業務。

2.1 ZigBee 聯盟

ZigBee 技術的物理層和鏈路層主要采用IEE802.15.4標準,而網絡層、安全協議、應用文檔以及市場推廣由ZigBee 聯盟[3]負責。ZigBee聯盟成立立于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體公司組成, 如今已吸引了上百家芯片公司、無線設備公司和開發商的加入。

2.2 ZigBee協議棧

ZigBee 協議棧[4]采用分層結構,包括:物理層(PHY Layer)、媒體接入控制層(MAC Layer)、網絡層和應用層。如圖1所示:

網絡層以上協議由ZigBee聯盟制定,IEEE組織負責定制PHY層和MAC層標準。應用層包括應用對象終端設備和應用接口層,且.多只能包含31個應用對象。應用接口層將主要負責把不同的應用映射到ZigBee網絡層上,其中包括:安全與鑒權、多個業務數據流的會聚、設備發現及業務發現。網絡層主要考慮采用基于ad2hoc技術的網絡協議,包含以下功能:通用的網絡層功能,拓撲結構的搭建和維護,命名和關聯業務,包含了尋址、路由和安全,有自組織、自維護功能,以.大程度減少消費者的開支和維護成本。媒體接入控制層協議包括以下功能:設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;預留時隙管理;廣播信息管理。

2.3 ZigBee 技術的特點

ZigBee 技術的具有以下特點[5]:

① 低功耗:由于ZigBee的傳輸速率低,發射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設備非常省電。據估算,ZigBee 備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2左右的使用時間,其功耗遠遠小于其它無線設備。

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協議是免..費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

③ 時延短:通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短,典型的搜索設備時延為30ms,休眠激活的時延是15ms,活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業控制場合等)應用。

④ 網絡容量大:一個星型結構的ZigBee網絡.多可以容納254個從設備和一個主設備,而且網絡組成靈活。

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務預留了專用時隙,避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式,每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

⑥ 安全:ZigBee提供了基于循環冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能,支持鑒權和認證,采用了AES-128的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。

正是這些全新的特點,將使ZigBee技術將在無線數傳,無線傳感器網絡,無線實時定位,射頻識別,數字家庭,安全監視,無線鍵盤,無線遙控器,無線抄表,汽車電子,ZigBee在礦山中的應用。

利用ZigBee無線網絡技術,實現井下人員的定位和各種安全生產要素以及井下環境(如瓦斯、溫度、濕度等環境指標)的無人自動采集。從而,在事故發生前,安全生產監控中心,可以隨時掌握井下不同位置的各種安全生產的要素。從而采取積極有效的預防措施;事故發生后,可以掌握事故發生當時,甚至事故發生后相當一段時間內,井下工作人員的具體分布位置,不同位置的瓦斯濃度等情況,從而制定及時有效的搶救措施,并實施有效的現場搶救指揮。

3.1 建立定位網絡

根據現場實際需要,沿坑道每隔一定距離(50-500米)在坑道頂部設置一個ZigBee網絡模塊(可采用電池驅動或使用其他電源),同時在其他需要定位和網絡連接的地方,也安置一個ZigBee網絡模塊;為了避免井下環境對無線信號的干擾,所有無線網絡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)。

所安置的網絡模塊將自動組成一個ZigBee通信網絡[6],在布置網絡模塊的位置時,注意應使每個模塊至少可與兩個以上的模塊進行通信,即避免單線聯系以保證ZigBee網絡通信的可靠性。這個通信網絡實際就是一個定位網絡,每一個網絡節點就是一個定位點,不同的是,ZigBee網絡節點體積要小得多,耗電也小,而且網絡節點之間的通信,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動的全封閉的模塊約(50x40x8mm)大小,每個模塊的發射功率小于1mW.

為了增加電池使用壽命,無線身份模塊每隔10–30 秒發射一個身份碼信號。為了避免井下環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,當出現瓦斯超標時,該無線模塊可以立即通過ZigBee網絡,將報警信號傳往監控中心,必要時,將同時啟動其它聯動的應急設備;

3.3 移動目標位置的確定

當移動目標在不同的位置發射身份碼信號時,如果定位精度要求不高,坑道情況比較復雜時,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絡節點位置,當作移動目標位置,這種方法往往需要較小的網絡節點間距(例如50米),和較小的無線身份模塊的發射功率。

當定位精度要求較高,坑道環境相對簡單時,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射身份碼信號時,處于該移動目標兩端的網絡節點,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網絡將把該移動目標身份碼,以及在相應的兩個網絡節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,還需要對網絡節點,移動目標節點收發機的接收靈敏度,和發射功率進行適當的調整。

ZigBee所具有的短距離、低成本、低功耗、易實現、安全可靠的優點非常適合于礦山井下環境監測、人員定位。這是一種適用于大中型礦井的無線網絡,能夠有效的了解礦山井下運行環境參數,及時調度生產,防止事故的發生,安全生產。在大中礦井和工廠具有良好的推廣應用前景。

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