礦井定位及瓦斯系統方案

zigbee技術介紹：

（1）zigbee簡介：ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，完整的協議棧只有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絡中。與現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，有很大的優勢。本文研究設計的礦井人員定位及瓦斯無線監測系統就是基于ZigBee技術的無線傳感器網絡，用于實時定位井下人員的位置及監測礦井空氣中的瓦斯濃度，實現系統的可靠性、便于安裝性、低成本、節能和實際可行性，從而給煤礦生產工作的順利進行提供一定的保障，為礦井的防災、減災以及提高生產效率方面發揮一定的作用。

（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務預留了專用的有保證的時隙；發送的數據包都有待于接受方的確認，如出現問題進行重發；保持數據包的及時傳輸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務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突；明晰的信道檢測；MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。
◇ 網絡的自組織、自愈能力強 zigbee的自組織功能：無需人工干預，網絡節點能夠感知其他節點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡；zigbee自愈功能：增加或者刪除一個節點，節點位置發生變動，節點發生故障等等，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工干預，保證整個系統仍然能正常工作。

（3）zigbee的技術優勢：

◇ 數據傳輸速率低：10KB/秒~250KB /秒，專注于低傳輸應用
◇ 功耗低：在低功耗待機模式下，兩節普通5號電池可使用6~24個月；
◇ 成本低：ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本；
◇ 網絡容量大：網絡可容納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。
◇ 網絡的自組織、自愈能力強，通信可靠；
◇ 數據安全： ZigBee提供了數據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），均為免執照（免費）的頻段

（4）zigbee 網絡設備：

◇ 網絡協調器：包含所有的網絡消息，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。發送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信息、尋找一對節點間的路由消息、不斷地接收信息。
◇ 全功能設備(FFD)：可以擔任網絡協調者，形成網絡，讓其它的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連結，FFD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 在網絡中通常用作終端設備。 ZigBee相對簡單的實現自然節省了費用。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位處理器和小協議棧也有助于降低成本。

方案介紹：

（1）總體介紹：本系統是由多個自給供電的ZigBee節點組成的，每個ZigBee節點都可以進行周圍環境數據的采集、簡單計算以及與其他節點及外界進行通信，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。本系統主要包括ZigBee精簡節點、ZigBee全功能節點和zigbee路由節點，整體系統結構如下圖，其中ZigBee全功能節點主要用于組合從各個瓦斯傳感器節點得到的數據以及負責與外界的通信，該節點基于嵌入式系統。本系統采用部分網狀(Partial Mesh)拓撲結構，其主要好處是每個節點的范圍都成倍地擴大了，沒有最大通信距離的限制，因為它所有的節點都被用作中繼器或路由器。這樣在所有節點中都能實現冗余路徑。

（2）網絡結構圖：

（3）功能描述：

◇ ZigBee全功能節點 主要功能是采集瓦斯濃度數據和終端節點的接力數據傳輸，并將數據發送給ZigBee路由節點或相鄰的全功能節點。ZigBee節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，靜態功耗為150mW，報警狀態功耗為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。

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