ZigBee無線礦井安全領(lǐng)域應(yīng)用方案
一、引言
傳統(tǒng)的礦井安全管理方式以人為主要因素,缺乏定量指標(biāo),準(zhǔn)確性差,越來越不適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。將短距離通信新秀Zigbee應(yīng)用于礦井安全領(lǐng)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(shù)傳至坑道上的網(wǎng)關(guān),再采用有線方式將網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至地面上的中央控制計算機(jī),由計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較,對礦井安全狀況做出評估。
二、項目分析
2.1 系統(tǒng)組成
2.1.1數(shù)據(jù)采集終端
終端設(shè)備主要由各種傳感器、報警器以及Zigbee發(fā)射接收模塊組成。傳感器主要由兩部分組成,一部分用于環(huán)境監(jiān)測:包括瓦斯?jié)舛忍綔y、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(tài)傳感器等。上述各種傳感器對各種原始信號進(jìn)行采集后,需要進(jìn)行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,這一過程要經(jīng)過模擬信號放大器,A/D轉(zhuǎn)換器,電平比較器,信號處理器等設(shè)備,轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號經(jīng)過Zigbee發(fā)射模塊無線傳輸至礦井坑道壁上的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。
2.1.2無線傳輸設(shè)備
前端采用四信F8914 ZigBee終端，通過232/485（端子接口）和礦井終端內(nèi)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(shè)備一般為終端節(jié)點(diǎn)，互相之間不能通訊，完成信息的發(fā)送和接收。實(shí)物如圖1
ZigBee中心節(jié)點(diǎn)采用四信F8114 ZigBee+GPRS模塊，中心節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)可以通過串口直接是輸出到服務(wù)器上（前端與服務(wù)器的距離較近）；還可有通過GPRS把其收到的數(shù)據(jù)發(fā)送的遠(yuǎn)端的服務(wù)器上，GPRS部分采用國際標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通信協(xié)議，且兩種方式都是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能。省去了每個終端的GPRS模塊，只需要中心節(jié)點(diǎn)一個，節(jié)約了成本。實(shí)物如圖2
2.1.3數(shù)據(jù)管理中心分析礦井返回數(shù)據(jù)
實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)的存儲、分析、反空的功能。根據(jù)傳輸上來的數(shù)據(jù)可以判斷當(dāng)前工作人員的身體狀態(tài)及其環(huán)境質(zhì)量的狀態(tài)。
2.2 系統(tǒng)總架構(gòu)
2.2.1 F8914 --- F8914組網(wǎng)
F8914（前端）通過標(biāo)準(zhǔn)的232/485與礦井監(jiān)控一級終端里的PLC連接通信，獲取的數(shù)據(jù)直接通過2.4G頻率發(fā)送到F8914(中心節(jié)點(diǎn))。F8914(中心節(jié)點(diǎn))通過串口與服務(wù)器連接，把數(shù)據(jù)送到后臺，后臺管理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖3所示
2.2.2 F8914----F8114組網(wǎng)
2.2.2.1 原理框架
F8114首先進(jìn)行GPRS撥號上網(wǎng)，然后自動向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)起TCP連接，握手成功后開始數(shù)據(jù)透明傳輸。礦井監(jiān)控終端把數(shù)據(jù)集中采集通過PLC把數(shù)據(jù)傳給F8914，F(xiàn)8914接到數(shù)據(jù)后即時的將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到F8114。F8114通過GPRS數(shù)據(jù)管理中心將上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出直觀的結(jié)果和相應(yīng)的指令通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給F8114，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到F8914即時通過232/485傳送給PLC，PLC根據(jù)指令對路燈做出相應(yīng)的控制處理，以此達(dá)到遠(yuǎn)程控制路燈的效果。如圖4所示
2.2.2.2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)接入方式
1.專線接入
中心采用APN專線， 所有點(diǎn)都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進(jìn)行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯(lián)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。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡才能進(jìn)入專網(wǎng)APN，防止其他非法用戶的進(jìn)入。用戶在內(nèi)部建立RADIUS服務(wù)器，作為內(nèi)部用戶接入的遠(yuǎn)程認(rèn)證服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用路由器本地認(rèn)證功能）。只有通過認(rèn)證的用戶才允許接入，用以保證用戶內(nèi)部安全。
用戶在內(nèi)部建立DHCP服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能），為通過認(rèn)證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。移動終端和服務(wù)器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進(jìn)行隔離，并在防火墻上進(jìn)行IP地址和端口過濾。此種方案無論實(shí)時性，安全性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點(diǎn)比較多、實(shí)時性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。在資金允許的情況下之最佳組網(wǎng)方式。
2. ADSL撥號連接（動態(tài)公網(wǎng)IP地址）
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析服務(wù)的?？蛻粝扰cDNS服務(wù)商聯(lián)系開通動態(tài)域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費(fèi)用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務(wù)商。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用。
3. 通過固定公網(wǎng)IP連接
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務(wù)的。此種方案先向INTERNET運(yùn)營商申請ADSL等寬帶業(yè)務(wù)，中心有公網(wǎng)固定IP的。IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。運(yùn)行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。
2.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能
1、整個系統(tǒng)的控制,數(shù)據(jù)處理比較以及決定是否發(fā)出報警,礦難發(fā)生時記錄終端位置以便營救,對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動備份,且自動上傳至政府安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局監(jiān)管系統(tǒng)主機(jī)。
2、 對系統(tǒng)的控制包括控制Zigbee網(wǎng)絡(luò)開啟關(guān)閉設(shè)置參數(shù)等。
3、 數(shù)據(jù)處理主要是對收集的各種參數(shù)與預(yù)先內(nèi)置在系統(tǒng)中正常值進(jìn)行比較,比如對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行對比以決定是否要切斷電源;對一氧化碳濃度進(jìn)行對比以決定是否要人員撤離;對空氣濕度進(jìn)行對比以判斷是否有發(fā)生透水事故的可能等。
4、 軟件系統(tǒng)中查詢歷史數(shù)據(jù)的功能,通過查詢就可以得知在發(fā)生意外時,各個終端的具體位置,以及終端佩帶者當(dāng)時的身體狀況,從而為詳細(xì)制定營救方案提供依據(jù)。
5、對于所有礦井安全管理的數(shù)據(jù)都要自動上傳到當(dāng)?shù)貒野踩a(chǎn)監(jiān)督管理局的監(jiān)控主機(jī),便于政府對礦業(yè)安全的監(jiān)管。
三、方案特點(diǎn)
1 、傳輸模塊采用無線接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，目前GPRS網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)已經(jīng)運(yùn)營了十幾年，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，技術(shù)成熟，覆蓋率廣。
2、傳輸模塊采用工業(yè)級ZigBee模塊，標(biāo)準(zhǔn)頻段IEEE802.15.4 ISM2.4GHz,通信距離90m,戶外通信距離800m,發(fā)射功率22dBm（增加功放），接受靈敏度-104dBm；低功耗設(shè)計，支持多級休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗，內(nèi)置實(shí)時時鐘（RTC），支持定時開關(guān)機(jī)功能，定時關(guān)機(jī)狀態(tài)下功耗小于1mA。外接電源DC 12V/500mA（標(biāo)準(zhǔn)）；通信電流：50mA-80mA@12VDC、115-150mA@5VDC;待機(jī)狀態(tài)：20mA@12VDC、35mA@5VDC；休眠狀：8mA@12VDC、18mA@5VDC；
工作環(huán)境溫度 -25~+65ºC;儲存溫度 -40~+85ºC;相對濕度 95%(無凝結(jié));多重軟硬件看門狗設(shè)計。適用于戶外工作環(huán)境。
3、傳輸模塊具有可靠的網(wǎng)絡(luò)連接、智能防掉線、支持在線檢測、在線維護(hù)、掉掉線自動重拔，確保設(shè)備永遠(yuǎn)在線，確保通信通道正常，為數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)。
4、終端傳輸模塊支持多種激活方式，如語音電話、短信、數(shù)據(jù)等；終端設(shè)備故障或異常時，自動發(fā)短信報警信息給維護(hù)人員。
5、傳輸模塊采用主備份中心與中心自動恢復(fù)功能，并同時支持多中心并發(fā)功能（最多五個）。
6、方便控制，管理人員不需要親臨現(xiàn)場就可以對現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視，完成參數(shù)的調(diào)整與設(shè)置，進(jìn)行有效的故障恢復(fù)等，大大提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約了生產(chǎn)的人力資源。
7、及時響應(yīng)，實(shí)時的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以對故障做出及時的響應(yīng)，從而大大降低故障帶來的經(jīng)濟(jì)和其他方面的損失。
8、規(guī)范管理和操作，運(yùn)行作業(yè)過程全面監(jiān)控是非常必要的，通過過程監(jiān)測，可將傳感器采集到得數(shù)據(jù)以數(shù)字方式全部記錄下來，從而作為事故分析的依據(jù)。
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