基于ZigBee的矿井无线网络应用研究

摘要：本文分析了矿山安全生产过程中，发展以Zigbee技术为代表的矿井无线网络的重要性，介绍了ZigBee技术的特点及应用于矿山无线网络的优势，详细介绍了ZigBee技术在矿山的应用实例和现状，并根据其目前应用探讨分析了其在深部开采和安全生产中巨大的应用前景。

关键词：无线网络；ZigBee；矿山生产安全；监测

中图分类号：TP202 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 15-0000-02

Mine Wireless Network Application Research Based on ZigBee

Zhang Yue,Zhu Wei

（Resources and Safety Engineering Institute,Central South University,Changsha410012,China）

Abstract:This paper analyzes the importance of developing Zigbee technology as a representative of a mine wireless networkin the process of safe production in mines.Introduces the characteristics of the technology and application ZigBee wireless network advantage in mine,introduces ZigBee technology in the present situation and application examples of mine.And according to the current application analyzes the deep mining and the safe production in large application prospect.

Keywords:Wireless network;Zigbee;Mine production safety;Monitoring

一、引言

矿山监测、监控系统已成为矿山安全生产、灾害预警和事故救援的重要装备。目前，绝大多数矿山安全监控系统都采用有线方式传输信号，即采用光缆、电力线缆或信号线缆等。这些传统的有线布设方式存在着布线繁琐，安装维护成本大、覆盖范围有限、线路依赖性强等缺陷和不足。在这样的背景下，近年来，矿井无线监测系统得到了长足的研究和发展。

传统矿井无线监测和应急通信技术主要包括超低频透地通信、中频感应通信、漏泄电缆通信和超高频通信、小区蜂窝无线通信以及矿用小灵通等通信系统。此外，采用WiFi/ZigBee/RFID/UWB/WMN等短距离无线网络与通信技术的系统也是研究的发展趋势。

其中，ZigBee技术以其成本低、功耗少、可靠性高、组网灵活、易于维护等优点成为近年来矿井监测系统研究和应用较多的一种无线网络技术。

二、ZigBee技术简介

ZigBee技术的命名，来源于蜜蜂用曲折的舞蹈方式表示采蜜位置、距离和方向的含义。2003年，IEEE无线个人局域网（PAN）工作组的IEEE 802．15．4技术标准是ZigBee技术的基础。IEEE802．15．4为ZigBee定义了两个物理层标准，分别是2．4GHz物理层和868/915MHz物理层。这两个频段上无线信号传播损耗较小，可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖设定的区域。简而言之，ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率（小于250kbit/s）、低成本、工作在2．4GHz和868/928MHz的无线网络技术。

三、ZigBee技术的特点

（一）数据传输速率低：只有104字节/秒到2504字节/秒，专注于低速率传输应用。

（二）时延短：通常时延都在15ms至30ms之间，适用于对时延要求苛刻的无线控制应用。

（三）低功耗：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，功耗远远小于其他无线设备，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。

（四）低成本：ZigBee协议简单，免收专利费，此外，ZigBee模块是集成度很高的单芯片，目前成本为6美元，预计生产成本可降至2-3美元，设备投入低，所以大大降低了成本。

（五）网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备，即每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。

（六）有效范围小：有效覆盖范围10-75m之间，扩展后也可达几百米，甚至几公里。

（七）可靠度高：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据报都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

四、ZigBee技术在矿井中的应用实例及分析

目前，ZigBee技术已经在矿山中的到了一些应用和发展，如基于ZigBee技术开发了用于矿井人员管理及救援的矿井智能头盔，用于矿井机车定位和调度的智能矿井机车运输监控系统，用于矿井漏电保护、防爆、温度监测等的矿井综合监测系统。根据Zigbee技术的应用可以分为以下两方面：

（一）对移动目标的定位和管理。对移动目标的定位是根据两点信号强度定位法进行定位：当移动目标在不同的位置发射信号时，处于与该移动目标两端的网络节点接收到的信号强度因节点距移动目标的距离不同而强度不同，相应的两个网络节点将接收到的信号强度传往控制中心，通过简单计算，再加上现场实测效正，很容易确定该移动目标的位置。通过对移动目标的定位和监控，不仅可以对井下作业人员进行管理，对机车进行实时调度，提高作业效率。而且，当出现事故时，可以很快确定井下人员位置，实施救援。

（二）对矿山生产环境的监测

图1.ZigBee井下监测系统的整体架构

具体方案为在井下监测区域内布置若干传感器节点，实时采集矿井内的坑壁压力、采场温湿度、有害气体浓度等环境信息，然后通过节点内部的嵌入式系统对数据进行处理，节点间通过无线通信形成自组织网络以中继多跳的方式传递监测信息，最后传输到中段的汇聚节点。汇聚节点连接传感器网络和外部网络，实现通信协议之间的转换，并把收集的数据转发到外部网络上，传到远程的监控终端。

相比传统的有线网络通信方式，基于ZigBee的无线传感器网络不仅大大降低了成本，灵活性和覆盖范围大大提高，而且维护也变得简单。

五、ZigBee技术在深部开采中的应用前景

我国有很多重要的金属矿产资源都是通过地下开采的方式获得，随着浅部资源的逐渐减少和消失，地下开采的比例将越来越大，包括现有的部分露天矿山也将转入地下开采。经过几十年的开采，目前很多地下矿山均己进入深部开采。如铜陵狮子山铜矿的开采深度已达1100米，山东玲珑金矿和吉林夹皮沟金矿已到1000米，辽宁红透山铜矿已达1300米等。

随着开采深度的不断增加，“三高一扰动”（即高地应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动）的复杂地质力学条件成为制约深部开采的重大问题。科学、准确、合理的监测系统是减少和预报深井开采灾害的重要手段。基于ZigBee技术的自身优势和现有井下无线技术解决方案，ZigBee技术将在深井开采方面发挥重大作用。

特别是将ZigBee技术嵌入到现有的微震监测系统中，对现有的微震监测系统进行技术改进。一方面可以通过成本的降低来增大传感器的布置规模，获得更大的样本容量，提高岩爆预测的准确度和可靠度；另一方面，采用ZigBee无线技术后，节点的布置更加灵活，使岩爆的预测更加的科学。

六、结语

随着技术的成熟和开采环境的日益复杂，以ZigBee技术为代表的无线技术，将成为矿井监控、定位中的主要通信手段，矿井的无线技术应用值得探索，并将进一步推动矿山数字化和信息化的进程。

参考文献：

[1]戚晴晴,吕英华.基于ZigBee的矿井监测网络研究[C].2009通信理论与技术新发展――第十四届全国青年通信学术会议论文集.

[2]李峥,苗曙光.ZigBee无线传感器网络在矿井巷道监测系统中的应用[J].仪表技术与传感器,2010,8

[作者简介]张岳（1989-），山东人，中南大学资源与安全工程学院采矿专业本科生，研究方向：数字化矿山。