ZigBee无线矿井安全领域应用方案
一 引言
传统的矿井安全管理方式以人为主要因素,缺乏定量指标,准确性差,越来越不适应现代化生产的需要。将短距离通信新秀Zigbee应用于矿井安全领域,提出一种定性定量的评估方式:采用Zigbee将终端传感器收集的各种参数传至坑道上的网关,再采用有线方式将网关数据传输至地面上的中央控制计算机,由计算机对数据进行分析比较,对矿井安全状况做出评估。
二、项目分析
2.1 系统组成
2.1.1数据采集终端
终端设备主要由各种传感器、报警器以及Zigbee发射接收模块组成。传感器主要由两部分组成, 一部分用于环境监测:包括瓦斯浓度探测、一氧化碳浓度探测、空气湿度探测等功能;另一部分用于矿工生命体征的采集: 诸如脉搏、血压、呼吸、体温等,包括脉搏传感器、温度传感器、状态传感器等。上述各种传感器对各种原始信号进行采集后,需要进行模拟信号到数字信号的转换,这一过程要经过模拟信号放大器,A/D转换器,电平比较器,信号处理器等设备,转换后得到的数字信号经过Zigbee发射模块无线传输至矿井坑道壁上的网关设备。
2.1.2无线传输设备
前端采用四信F8914 ZigBee模块，通过232/485（端子接口）和矿井终端内的采信或是传感器相连，Zigbee作为一种无线连接,可工作在2. 14 GHz(全球流行) 、868 MHz (欧洲流行)和915 MHz (美国流行) 3个频段上,分别具有最高至250 kbit/ s、20 kbit/ s、40 kbit/ s的传输速率。该型号设备一般为终端节点，互相之间不能通讯，完成信息的发送和接收。实物如图1
ZigBee中心节点采用四信F8114 ZigBee+GPRS模块，中心节点收到的数据可以通过串口直接是输出到服务器上（前端与服务器的距离较近）；还可有通过GPRS把其收到的数据发送的远端的服务器上，GPRS部分采用国际标准TCP/IP通信协议，且两种方式都是实现数据透明传输功能。省去了每个终端的GPRS模块，只需要中心节点一个，节约了成本。实物如图2
2.1.3数据管理中心分析矿井返回数据
实现实时数据的存储、分析、反空的功能。根据传输上来的数据可以判断当前工作人员的身体状态及其环境质量的状态。
2.2 系统总架构
2.2.1 F8914 --- F8914组网
F8914（前端）通过标准的232/485与矿井监控一级终端里的PLC连接通信，获取的数据直接通过2.4G频率发送到F8914(中心节点)。F8914(中心节点)通过串口与服务器连接，把数据送到后台，后台管理软件对数据进行分析。如图3所示
2.2.2 F8914----F8114组网
2.2.2.1 原理框架
F8114首先进行GPRS拨号上网，然后自动向数据管理中心发起TCP连接，握手成功后开始数据透明传输。矿井监控终端把数据集中采集通过PLC把数据传给F8914，F8914接到数据后即时的将数据通过ZigBee网络传送到F8114。F8114通过GPRS数据管理中心将上传的数据进行分析处理，得出直观的结果和相应的指令通过GPRS网络发送给F8114，再通过ZigBee网络传送到F8914即时通过232/485传送给PLC，PLC根据指令对路灯做出相应的控制处理，以此达到远程控制路灯的效果。
如图4所示
1.专线接入
中心采用APN专线， 所有点都采用内网固定IP客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户的进入。用户在内部建立RADIUS服务器，作为内部用户接入的远程认证服务器（或在APN路由器内，启用路由器本地认证功能）。只有通过认证的用户才允许接入，用以保证用户内部安全。
用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证的用户分配用户内部地址。移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之最佳组网方式。
2. ADSL拨号连接（动态公网IP地址）
中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务的。客户先与DNS服务商联系开通动态域名，IP MODEM先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。
3. 通过固定公网IP连接
中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网固定IP服务的。此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP的。IP MODEM直接向中心发起连接。运行可靠稳定，推荐此种方案。
2.3系统实现功能
1、整个系统的控制,数据处理比较以及决定是否发出报警,矿难发生时记录终端位置以便营救,对整个系统的数据进行自动备份,且自动上传至政府安全生产监督管理局监管系统主机。
2、 对系统的控制包括控制Zigbee网络开启关闭设置参数等。
3、 数据处理主要是对收集的各种参数与预先内置在系统中正常值进行比较,比如对瓦斯浓度进行对比以决定是否要切断电源;对一氧化碳浓度进行对比以决定是否要人员撤离;对空气湿度进行对比以判断是否有发生透水事故的可能等。
4、 软件系统中查询历史数据的功能,通过查询就可以得知在发生意外时,各个终端的具体位置,以及终端佩带者当时的身体状况,从而为详细制定营救方案提供依据。
5、对于所有矿井安全管理的数据都要自动上传到当地国家安全生产监督管理局的监控主机,便于政府对矿业安全的监管。
三、方案特点
1 、传输模块采用无线接入GPRS网络，目前GPRS网络在国内已经运营了十几年，网络稳定，技术成熟，覆盖率广。
2、传输模块采用工业级ZigBee模块，标准频段IEEE802.15.4 ISM2.4GHz,通信距离90m,户外通信距离800m,发射功率22dBm（增加功放），接受灵敏度-104dBm；低功耗设计，支持多级休眠和唤醒模式，最大限度降低功耗，内置实时时钟（RTC），支持定时开关机功能，定时关机状态下功耗小于1mA。外接电源DC 12V/500mA（标准）；通信电流：50mA-80mA@12VDC、115-150mA@5VDC;待机状态：20mA@12VDC、35mA@5VDC；休眠状：8mA@12VDC、18mA@5VDC；
工作环境温度 -25~+65ºC;储存温度 -40~+85ºC;相对湿度 95%(无凝结);多重软硬件看门狗设计。适用于户外工作环境。
3、传输模块具有可靠的网络连接、智能防掉线、支持在线检测、在线维护、掉掉线自动重拔，确保设备永远在线，确保通信通道正常，为数据中心提供数据。
4、终端传输模块支持多种激活方式，如语音电话、短信、数据等；终端设备故障或异常时，自动发短信报警信息给维护人员。
5、传输模块采用主备份中心与中心自动恢复功能，并同时支持多中心并发功能（最多五个）。
6、方便控制，管理人员不需要亲临现场就可以对现场的设备进行监视，完成参数的调整与设置，进行有效的故障恢复等，大大提高劳动生产率，节约了生产的人力资源。
7、及时响应，实时的远程监控，可以对故障做出及时的响应，从而大大降低故障带来的经济和其他方面的损失。
8、规范管理和操作，运行作业过程全面监控是非常必要的，通过过程监测，可将传感器采集到得数据以数字方式全部记录下来，从而作为事故分析的依据。
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