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1、·122·科技論壇基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井監(jiān)測系統(tǒng)楊松何青（沈陽工業(yè)大學(xué)化工過程自動化學(xué)院，遼寧遼陽111003）摘要：傳統(tǒng)的井下監(jiān)測系統(tǒng)主要采用信號的有線傳輸方式，限制了系統(tǒng)的可移動性，設(shè)備安裝不夠靈活，定位精度低，難以滿足現(xiàn)在井下安全監(jiān)測實時準(zhǔn)確的要求。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，并在眾多領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用，這一技術(shù)也很快應(yīng)用于地下礦井中。本文提出一種在有線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上結(jié)合基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的井下監(jiān)測系統(tǒng)，對發(fā)展?fàn)顩r、相關(guān)技術(shù)進行了敘述，再對該系統(tǒng)的設(shè)計及其在復(fù)雜礦井環(huán)境中的運用進行了具體分析。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBe

2、e技術(shù)；井下監(jiān)測1礦井監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀位置信息的數(shù)據(jù)將失去意義。所以傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位是其應(yīng)用的關(guān)目前我國很多從事井下安全監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)的企業(yè)基本上都采用的鍵技術(shù)。節(jié)點定位按是否測距分為兩類:基于測距定位方法是射頻識別(RFID)技術(shù)，由礦工人員攜帶RFID電子標(biāo)簽，通過設(shè)置在礦（Range-Based）、基于非測距的定位方法(Range-Free）。測距技術(shù)主要有:井入口以及井下重要關(guān)口的射頻讀卡器對經(jīng)過的礦工人員進行記錄來基于無線信號的到達時間(TOA)測距,基于無線電信號強度(RSSI)測距,獲得他們的行蹤。這種監(jiān)測系統(tǒng)實際上更類似于一種考勤系統(tǒng)，不具備真

3、基于超聲波與電磁波到達時間差(TDOA)測距,基于無線信號到達角度正意義的監(jiān)測功能?，F(xiàn)有的基于RFID技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)有兩種終端：無源(AOA)測距。該類方法先測量出相鄰節(jié)點間的實際距離或者方位，再運用被動型及有源主動型。前者不需供電電源，靠接收并儲蓄基站發(fā)射的能量三角計算、多邊計算、極大似然估計等方法確定位置?；跍y距的定位精向讀卡器發(fā)射自己的ID信息。該類型的終端成本雖然很低，但通信速度度高，由于AOA、TOA和TDOA三種測距對傳感器節(jié)點的技術(shù)要求較較慢、距離較近。后者須自備供電電池，能主動的向外發(fā)射信號，通信速率高，目前還難以在礦井下實現(xiàn)這3種定位方式的

4、廣泛應(yīng)用。而基于RSSI和距離較前者都有提高。這兩種類型監(jiān)測系統(tǒng)通信時各自基站之間以有測距的定位方法對技術(shù)的要求不高，容易實現(xiàn)，是目前主要的井下測距定線方式為主，該有線通信方式在遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)時速率較低。由于大量用位手段?；诜涓C小區(qū)識別(Cell-ID)的定位方法是最簡單的非測距定位到連接電纜，安裝復(fù)雜施工不便，加上建設(shè)覆蓋全礦井的基站這些都增加之一，它通過無線節(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)連通性來感知待測節(jié)點的粗略方位。了系統(tǒng)造價。本文根據(jù)井下復(fù)雜環(huán)境和現(xiàn)有技術(shù)條件提出一種具有較高精度的基2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于礦井通信系統(tǒng)的混合定位方法。2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義2.3.1

5、基于蜂窩小區(qū)標(biāo)識的粗定位無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由大量布置在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點借助井下通信系統(tǒng)估計目標(biāo)的位置，該方法根據(jù)大多數(shù)礦井巷道的組成，這些節(jié)點體積小、低成本，節(jié)點之間自組織形成一個能夠進行無線條形結(jié)構(gòu)，將井下通信區(qū)域分成許多獨立的鏈狀排列的蜂窩制小區(qū)，相鄰?fù)ㄐ诺木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的在于協(xié)作的感知、采集和處理被監(jiān)測區(qū)域中感興小區(qū)間無縫相接，每個小區(qū)有一個控制基站，每個控制基站設(shè)有不同的小趣的對象的信息，并發(fā)送到監(jiān)測中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點一般結(jié)構(gòu)如區(qū)編號，當(dāng)移動終端發(fā)射身份識別信息時，可能處在多個相鄰小區(qū)的通信下：范圍內(nèi)，系統(tǒng)通過小區(qū)基站就可判定其大

6、致位置。礦井下使用基于蜂窩小區(qū)標(biāo)識的定位方法精度取決于基站的密度，雖然硬件結(jié)構(gòu)和算法簡單，但僅使用該方法仍只能粗略定位。2.3.2基于RSSI測距的細(xì)定位采用RSSI定位方法進一步進行細(xì)定位。RSSI定位方法是通過已知發(fā)射功率的目標(biāo)節(jié)點向多個參考節(jié)點發(fā)出無線電信號，參考節(jié)點接收到信號并測出接收功率，得到傳播損耗，然后用相關(guān)數(shù)學(xué)模型將信號傳播損耗轉(zhuǎn)化成距離，通過多組測距實現(xiàn)定位，由于這時參加定位的參考節(jié)點圖1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)少，簡化了求解過程。因傳感器節(jié)點本身就具有無線通信能力，故這種方2.2井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特點法容易實現(xiàn)。該混合定位的方法優(yōu)勢是結(jié)

7、合了巷道鏈狀結(jié)構(gòu)特點，粗定位2.2.1規(guī)模大弱化了對參考節(jié)點位置精度的依賴，細(xì)定位的區(qū)域大大縮小了，定位精度為確保獲取準(zhǔn)確的信息，待測區(qū)域內(nèi)常常部署數(shù)目較大的傳感器節(jié)有一定提高。點。表現(xiàn)在兩方面:一是傳感器節(jié)點的分布的區(qū)域可能很大，另一方面，在3ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)一個較小的待測區(qū)域中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的部署往往會很密集。3.1ZigBee技術(shù)2.2.2動態(tài)自組織性根據(jù)煤礦應(yīng)用的特點，井下無線監(jiān)測系統(tǒng)越來越多的采用ZigBee技井下的一些區(qū)域，傳感器節(jié)點的放置并沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，加上環(huán)境因術(shù)。該技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)無線通信協(xié)議。具有

8、低功素、電能的消耗問題，以及傳感器新節(jié)