矿井定位及瓦斯系统方案

zigbee技术介绍：

（1）zigbee简介：ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只有32KB，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。这些特点决定ZigBee技术非常适合应用在无线传感器网络中。与现有的各种无线通信技术相比，ZigBee技术在功耗和成本上相对较低，有很大的优势。本文研究设计的矿井人员定位及瓦斯无线监测系统就是基于ZigBee技术的无线传感器网络，用于实时定位井下人员的位置及监测矿井空气中的瓦斯浓度，实现系统的可靠性、便于安装性、低成本、节能和实际可行性，从而给煤矿生产工作的顺利进行提供一定的保障，为矿井的防灾、减灾以及提高生产效率方面发挥一定的作用。

（2）zigbee技术特点：

◇ 物理层RF 通信链接直序扩频采用高处理增益；明晰的信道检测；对干扰能量进行检测；采用跳频技术Frequency agility；
◇ 协议 基于CRC的误码检测/校正；采取了避免冲突的策略CSMA/CA；为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙；发送的数据包都有待于接受方的确认，如出现问题进行重发；保持数据包的及时传输Packet data freshness；
◇ 通信可靠机制 zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。
◇ 网络的自组织、自愈能力强 zigbee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；zigbee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

（3）zigbee的技术优势：

◇ 数据传输速率低：10KB/秒~250KB /秒，专注于低传输应用
◇ 功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6~24个月；
◇ 成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；
◇ 网络容量大：网络可容纳65,000个设备；
◇ 时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。
◇ 网络的自组织、自愈能力强，通信可靠；
◇ 数据安全： ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各个应用可灵活确定其安全属性
◇ 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段

（4）zigbee 网络设备：

◇ 网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。
◇ 全功能设备(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。 附带由标准指定的全部 802.15.4 功能和所有特征 更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。 也能用作终端设备
◇ 精简功能设备(RFD)：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。 附带有限的功能来控制成本和复杂性 在网络中通常用作终端设备。 ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。

方案介绍：

（1）总体介绍：本系统是由多个自给供电的ZigBee节点组成的，每个ZigBee节点都可以进行周围环境数据的采集、简单计算以及与其他节点及外界进行通信，从而使得众多的传感器和zigbee手持终端可以通过协同工作进行高质量的通讯，组成一个容错性较好的采集系统。本系统主要包括ZigBee精简节点、ZigBee全功能节点和zigbee路由节点，整体系统结构如下图，其中ZigBee全功能节点主要用于组合从各个瓦斯传感器节点得到的数据以及负责与外界的通信，该节点基于嵌入式系统。本系统采用部分网状(Partial Mesh)拓扑结构，其主要好处是每个节点的范围都成倍地扩大了，没有最大通信距离的限制，因为它所有的节点都被用作中继器或路由器。这样在所有节点中都能实现冗余路径。

（2）网络结构图：

（3）功能描述：

◇ ZigBee全功能节点 主要功能是采集瓦斯浓度数据和终端节点的接力数据传输，并将数据发送给ZigBee路由节点或相邻的全功能节点。ZigBee节点主要由传感器模块、通讯模块、存储模块和电源管理模块组成，包括电源模块指示灯/开关、传感器模块接口、天线接口等。传感器有很多种类，可以检测温湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度、气体浓度等物理量。本系统采用的传感器模块采用瓦斯传感器和温湿度传感器。瓦斯传感器采用高灵敏度低功耗瓦斯传感器，它以二氧化锡为基本敏感材料，专门用于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器。它的基本特征是：极高灵敏度和极快的响应速度且低功耗。适用于对瓦斯等可燃气浓度的检测，用于瓦斯报警器，可燃气报警器，瓦斯检测仪等。该传感器体积小，耗电低，应用电路简单，报警浓度为甲烷≥1％，响应时间≤20s，恢复时间≤30s，工作温度范围-15℃～+50℃，湿度≤97％RH，静态功耗为150mW，报警状态功耗为300mW，供电电压为3～5VDC。传感器敏感组件的电阻RS的变化表现为负载电阻RL上的电压变化。驱动电压VH、负载电阻RL以及检测电压VD的取值参照公司提供的典型资料，以使传感器处于最佳工作状态。

◇ zigbee终端节点 该节点主要完成由手持zigbee终端组成，完成井下人员的定位功能。其原理如下：井下人员佩带zigbee终端，终端与全功能节点或路由节点进行数据交互，监控人员根据路由节点传回的信息，得知井下人员的大致位置。为保证人员区域检测，最大限度的降低终端功耗，采用路由节点侦听，终端呼叫方案：路由节点在平时工作在侦听状态；终端工作在休眠待机状态，每隔3秒发送一次呼叫，和区域内的全功能节点或路由节点建立链接，确认信息，内置重发机制。
◇ 路由节点 主要完成数据的无线通讯任务，并实时监测各个终端节点位置，完成人员定位工作。在远距离传输时，路由节点可以同RS485总线相连，完成路由节点同GPRS DTU的通讯任务。