一 引言
傳統的礦井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。將短距離通信新秀Zigbee應用於礦井安全領域,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麵上的中央控製計算機,由計算機對數據進行分析比較,對礦井安全狀況做出評估。
二、項目分析
2.1 係統組成
2.1.1數據采集終端
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,一部分用於環境監測: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;另一部分用於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後,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大器,A/D轉換器,電平比較器,信號處理器等設備,轉換後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。
前端采用四信F8914 ZigBee模塊，通過232/485（端子接口）和礦井終端內的采信或是傳感器相連，Zigbee作為一種無線連接,可工作在2. 14 GHz(全球流行) 、868 MHz (歐洲流行)和915 MHz (美國流行) 3個頻段上,分別具有最高至250 kbit/ s、20 kbit/ s、40 kbit/ s的傳輸速率。該型號設備一般為終端節點，互相之間不能通訊，完成信息的發送和接收。實物如圖1
ZigBee中心節點采用四信F8114 ZigBee+GPRS模塊，中心節點收到的數據可以通過串口直接是輸出到服務器上（前端與服務器的距離較近）；還可有通過GPRS把其收到的數據發送的遠端的服務器上，GPRS部分采用國際標準TCP/IP通信協議，且兩種方式都是實現數據透明傳輸功能。省去了每個終端的GPRS模塊，隻需要中心節點一個，節約了成本。實物如圖2
數據管理中心分析 礦井返回數據
實現實時數據的存儲、分析、反空的功能。根據傳輸上來的數據可以判斷當前工作人員的身體狀態及其環境質量的狀態。
2.2 係統總架構
2.2.1 F8914 --- F8914 組網
F8914（前端）通過標準的232/485與礦井監控一級終端裏的PLC連接通信，獲取的數據直接通過2.4G頻率發送到F8914(中心節點)。F8914(中心節點)通過串口與服務器連接，把數據送到後台，後台管理軟件對數據進行分析。如圖3所示
2.2.2 F8914----F8114 組網
2.2.2 .1 原理框架
F8114首先進行GPRS撥號上網，然後自動向數據管理中心發起TCP連接，握手成功後開始數據透明傳輸。礦井監控終端把數據集中采集通過PLC把數據傳給F8914，F8914接到數據後即時的將數據通過ZigBee網絡傳送到F8114。F8114通過GPRS數據管理中心將上傳的數據進行分析處理，得出直觀的結果和相應的指令通過GPRS網絡發送給F8114，再通過ZigBee網絡傳送到F8914即時通過232/485傳送給PLC，PLC根據指令對路燈做出相應的控製處理，以此達到遠程控製路燈的效果。如圖4所示
2.2.2.2 數據中心網絡接入方式
1.專線接入
中心采用APN專線， 所有點都采用內網固定IP客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用於GPRS專網的SIM卡才能進入專網APN，防止其他非法用戶的進入。用戶在內部建立RADIUS服務器，作為內部用戶接入的遠程認證服務器（或在APN路由器內，啟用路由器本地認證功能）。隻有通過認證的用戶才允許接入，用以保證用戶內部安全。
用戶在內部建立DHCP服務器（或在APN路由器內，啟用DHCP功能），為(wei)通(tong)過(guo)認(ren)證(zheng)的(de)用(yong)戶(hu)分(fen)配(pei)用(yong)戶(hu)內(nei)部(bu)地(di)址(zhi)。移(yi)動(dong)終(zhong)端(duan)和(he)服(fu)務(wu)器(qi)平(ping)台(tai)之(zhi)間(jian)采(cai)用(yong)端(duan)到(dao)端(duan)加(jia)密(mi)，避(bi)免(mian)信(xin)息(xi)在(zai)整(zheng)個(ge)傳(chuan)輸(shu)過(guo)程(cheng)中(zhong)可(ke)能(neng)的(de)泄(xie)漏(lou)。雙(shuang)方(fang)采(cai)用(yong)防(fang)火(huo)牆(qiang)進(jin)行(xing)隔(ge)離(li)，並(bing)在(zai)防(fang)火(huo)牆(qiang)上(shang)進(jin)行(xing)IP地址和端口過濾。此種方案無論實時性，安全性和穩定性較前一種方案都有大大提高，適合於安全性要求較高、數據點比較多、實時性要求較高的應用環境。在資金允許的情況下之最佳組網方式。
2. ADSL撥號連接（動態公網IP地址）
中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網動態IP+DNS解析服務的。客戶先與DNS服務商聯係開通動態域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心公網動態IP，建立連接。此種方式可以大大節約公網固定IP的費用，但穩定性受製於DNS服務器的穩定，所以要尋找可靠的DNS服務商。此種方案適合小規模應用。
3. 通過固定公網IP連接
中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網固定IP服務的。此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業務，中心有公網固定IP的。IP MODEM直接向中心發起連接。運行可靠穩定，推薦此種方案。
2.3 係統實現功能
1、整個係統的控製,數據處理比較以及決定是否發出報警,礦難發生時記錄終端位置以便營救,對整個係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係統主機。
2、 對係統的控製包括控製Zigbee網絡開啟關閉設置參數等。
3、 數據處理主要是對收集的各種參數與預先內置在係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。
4、 軟件係統中查詢曆史數據的功能,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,從而為詳細製定營救方案提供依據。
5、對於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,便於政府對礦業安全的監管。
三、方案特點
1 、傳輸模塊采用無線接入GPRS網絡，目前GPRS網絡在國內已經運營了十幾年，網絡穩定，技術成熟，覆蓋率廣。
2、傳輸模塊采用工業級ZigBee模塊，標準頻段IEEE802.15.4 ISM2.4GHz,通信距離90m,戶外通信距離800m,發射功率22dBm（增加功放），接受靈敏度-104dBm；低功耗設計，支持多級休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗，內置實時時鍾（RTC），支持定時開關機功能，定時關機狀態下功耗小於1mA。外接電源DC 12V/500mA（標準）；通信電流：50mA-80mA@12VDC、115-150mA@5VDC;待機狀態：20mA@12VDC、35mA@5VDC；休眠狀：8mA@12VDC、18mA@5VDC；
工作環境溫度 -25~+65ºC;儲存溫度 -40~+85ºC;相對濕度 95%(無凝結);多重軟硬件看門狗設計。適用於戶外工作環境。
3、傳輸模塊具有可靠的網絡連接、智能防掉線、支持在線檢測、在線維護、掉掉線自動重拔，確保設備永遠在線，確保通信通道正常，為數據中心提供數據。
4、終端傳輸模塊支持多種激活方式，如語音電話、短信、數據等；終端設備故障或異常時，自動發短信報警信息給維護人員。
5、傳輸模塊采用主備份中心與中心自動恢複功能，並同時支持多中心並發功能（最多五個）。
6、方fang便bian控kong製zhi，管guan理li人ren員yuan不bu需xu要yao親qin臨lin現xian場chang就jiu可ke以yi對dui現xian場chang的de設she備bei進jin行xing監jian視shi，完wan成cheng參can數shu的de調tiao整zheng與yu設she置zhi，進jin行xing有you效xiao的de故gu障zhang恢hui複fu等deng，大da大da提ti高gao勞lao動dong生sheng產chan率lv，節jie約yue了le生sheng產chan的de人ren力li資zi源yuan。
7、及時響應，實時的遠程監控，可以對故障做出及時的響應，從而大大降低故障帶來的經濟和其他方麵的損失。
8、規gui範fan管guan理li和he操cao作zuo，運yun行xing作zuo業ye過guo程cheng全quan麵mian監jian控kong是shi非fei常chang必bi要yao的de，通tong過guo過guo程cheng監jian測ce，可ke將jiang傳chuan感gan器qi采cai集ji到dao得de數shu據ju以yi數shu字zi方fang式shi全quan部bu記ji錄lu下xia來lai，從cong而er作zuo為wei事shi故gu分fen析xi的de依yi據ju。
