摘要：傳統的礦業安全管理方式以人為主要因素，缺乏定量指標，準確性差，越來越不適應現代化生產的需要，本文將短距離通信新秀Zigbee應用于礦井安全領域，提出一種定性定量的評估方式：采用Zigbee將終端傳感器收集的各種參數傳至坑道上的網關，再采用有線方式將網關數據傳輸至地面上的中央控制計算機，由計算機對數據進行分析比較，對礦井安全狀況做出評估。 該論文發表于《煤礦安全》2006年第2期第37卷（總第375期），刊號：ISSN 1003-496X/CN 21-1232/TD 關鍵詞：礦業安全 Zigbee The Application of Zigbee in Mining Safety Abstract ： This paper is mainly about the application of Zigbee in mining safety, we use Zigbee to transmit the single of senor, then though the wire line, we use the central computer to prosess these data, and give a result to test the mining field weather safety or not. Keywords: Mining Safety Zigbee 引言 礦山安全管理是一項復雜的系統工程，它是以環境、機械、設備、產品、原材料以及相關的人和環境等綜合系統為管理對象，最終的目的是保護人和生產資料的安全。礦山的生產是針對位于地下的三維空間中的礦體，礦體周圍又有復雜的地質斷層，礦山生產的采煤、掘進、通防、機電、運輸五個大系統就分布在地下空間中，整個生產過程受瓦斯、一氧化碳、煤塵、涌水、機電、頂板、通風等因素的威脅，復雜的環境條件要求我們隨時要注意安全．出現異常能快速準確地定位事故及準確的采取措施。目前我們傳統的安全管理方式是以人為主要因素，沒有定位、定量、準確性差，越來越不適應于生產的發展，必須采用先進的方法和手段才能更好地解決生命安全保障問題。我們所希望的未來礦山安全系統是能夠事先預測事故的發生，掌握事故的規律，做出定性和定量的評價，向有關人員預先警告事故的危險性，將事故的損失降到最低。本文所闡述的應用設想就是對未來礦山安全系統的一種探索。 1 Zigbee 相關技術介紹 ZigBee是一種新興的短距離，低速率，低功耗，低成本無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。它此前被稱作“Home RF Lite”或“Fire Fly”無線技術，主要用于近距離無線連接。ZigBee的網絡標準由IEEE 802.15工作組負責制訂，Zigbee是IEEE 802.15.4標準在商業推廣上的名稱。802.15.4標準的適用范圍非常貼近生產和生活，對數據速率和Qos的要求不高，目標市場是工業，家庭以及醫療等需要低功耗低成本以及大面積使用無線監控設備的領域。其基本技術參數如表1所示。 2.3 工作原理說明 系統設計的基本思想是用傳感器和Zigbee模塊構成簡單的穿戴式網絡。 礦工身上佩戴的終端設備主要由各種傳感器，報警器以及Zigbee發射接收模塊組成。傳感器主要由兩部分組成，一部分用于環境監測：包括瓦斯濃度探測，一氧化碳濃度探測，空氣濕度探測等功能；另一部分用于礦工生命體征的采集：諸如脈搏、血壓、呼吸、體溫等，包括脈搏傳感器，溫度傳感器，狀態傳感器等。上述各種傳感器對各種原始信號進行采集后，需要進行模擬信號到數字信號的轉換，這一過程要經過模擬信號放器，A/D轉換器，電平比較器，信號處理器等設備，轉換后得到的數字信號經過Zigbee發射模塊無線傳輸至礦井坑道壁上的網關設備。 坑道中每隔幾十米架設固定的網關設備，并用線纜相聯，用于收集Zigbee無線信號，并將收集到的數據通過有線方式傳輸到地面上的中央控制計算機。由于礦井采掘面不斷延伸，有線設備的架設不便及時跟進，所以在采掘面附近采用Zigbee無線中繼設備將信號傳輸至相鄰網關。無線網關還需要根據中央控制機算計的指令為建立和啟動網絡這一過程設置參數，其中包括選擇一個射頻信道、唯一的網絡標識符以及一系列操作參數，以及完成由Zigbee無線數據到有線傳輸數據格式的轉換。 礦工佩戴的終端設備都擁有一個64位的IEEE地址，也可以使用16位短地址來減少數據包大小，這樣只要記錄下終端地址就可以很容易確定礦工身份。在發生礦難時也很容易根據網關最后記錄找到具體礦工的位置，便于營救。在無線傳輸時的路由選擇在默認時使用樹形路由選擇，即在做路由選擇策略時利用樹形結構選址。有了樹形路由選擇，設備不必保存占用龐大內存的路由表或進行任何額外的空中下載技術操作來發現路徑，因此最小化了網絡流量，同時簡化了設備結構，降低了成本和設備功耗，一般Zigbee設備的耗電量極低，發射功率可以控制在1mW以內，兩節普通的五號電池可以支持系統終端工作三個月到一年的時間，非常適合在工礦企業大面積裝備。如果采用礦工自身攜帶的照明系統蓄電池供電，終端的續航能力將大大提高。 網關收集到的信號通過有線方式傳輸到地面上，有線互聯采用的具體介質以及其中的數據傳輸方式的選擇要根據具體情況綜合成本等多方面因素具體考慮,有線數據通過接口模塊的格式轉換將之變成計算機能識別處理的數據。 中央控制計算機內部軟件要完成的任務主要有：整個系統的控制，數據處理比較以決定是否發出報警，礦難發生時記錄終端位置以便營救，對整個系統的數據進行自動備份，且自動上傳至政府安全生產監督管理局監管系統主機。對系統的控制包括控制Zigbee網絡開啟關閉設置參數等。數據處理主要是對收集的各種參數與預先內置在系統中正常值進行比較，比如對瓦斯濃度進行對比以決定是否要切斷電源；對一氧化碳濃度進行對比以決定是否要人員撤離；對空氣濕度進行對比以判斷是否有發生透水事故的可能等。軟件系統中查詢歷史數據的功能是必不可少的，因為通過查詢就可以得知在發生意外時，各個終端的具體位置，以及終端佩帶者當時的身體狀況，從而為詳細制定營救方案提供依據。對于所有礦井安全管理的數據都要自動上傳到當地國家安全生產監督管理局的監控主機，便于政府對礦業安全的監管。中央控制計算機內部軟件設計具體流程如圖3所示。 3 結論 Zigbee技術的引入使我們可以定量定性的對礦井的安全狀況做出評估，使減少人為因素在礦業安全管理上造成的漏洞成為可能。后續的技術研發將進一步加強終端的靈敏度探測范圍以及續航能力，進一步加強無線傳輸的可靠性準確性，進一步擴充網關和中央控制計算機的功能，以及加強系統遠程控制能力，使各地國家安全生產監督管理局能直接控制礦井安全管理，減少私人礦井所有者玩忽職守的可能，以達到進一步提高現有礦井安全管理水平的目的。 參考文獻 [1]金純，蔣小宇，羅祖秋，Zigbee與藍牙的分析與比較[J]，信息技術與標準化，2004（6）-17-20 [2]王成鋼，豐申紅，周盛世，地理信息系統在礦山安全監測及管理中的應用[J]，煤礦安全，2000（4）-19-22 [3]胡彧，Kjl3礦井監控系統軟件的設計與實現[J],電腦開發與應用,第14卷第5期-7-9 作者簡介 金純（Jinchun）：男，39歲，留美博士，歸國創辦重慶金甌科技，主要從事短距離通信技術研發，擔任重慶郵電學院研究生導師。 齊巖松（Qi yansong）：男，25歲,重慶郵電學院通信與信息系統專業碩士研究生，研究方向個人通信。 項目介紹：本文受到國家自然科學基金“基于無線通信的可穿戴式網絡設備，系統結構及其關鍵技術研究”項目支持