1 前言
近年來，煤礦安全事故一直是大眾關(guān)注的焦點,，在全國廣泛關(guān)注的王家?guī)X事件之后,，智利的礦難給我們上了一堂井下安全教育課。在安全制度和救援機制與技術(shù)上,，我們遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于智利,。井下安全是一個涉及很多方面的問題，需要煤企管理者的觀念意識的轉(zhuǎn)變,，社會監(jiān)督,、立法等道德法律手段去影響，其中缺少了哪一環(huán),，都可能會使安全系統(tǒng)形同虛設(shè),。
當(dāng)然，一個優(yōu)秀的安全監(jiān)控系統(tǒng),，也會從基層對于提高井下安全起到一個推動作用：可靠穩(wěn)定,，性價比高，維護成本底,，使用方便,，會讓安全機制更容易走進煤礦企業(yè)。
術(shù)業(yè)有專攻,，為解決這個社會問題,，需要社會各界不同的團體來一起努力，社會學(xué)家處理社會關(guān)系,，職權(quán)部門立法監(jiān)督執(zhí)行,，各司其職，作為科技企業(yè),，我們則致力于提供技術(shù)上的最佳方案,。
2 井下安全需要意識也需要技術(shù)
井下定位與通信有兩種方案：無源卡與有源卡。前者不需要電池供電,，但是讀卡距離短,，不具備下行數(shù)據(jù)傳輸能力,；后者需要電池，不僅需要考慮低功耗設(shè)計,，更要考慮本安防爆,，不過更實用的是后一種方案。因為實際應(yīng)用確實需要長距離的通信,，而電池和防爆的問題,，都是可以解決的。
ZigBee技術(shù)是目前廣泛討論和實施的井下定位和通信技術(shù),，相比于其他無線通信技術(shù),，2.4 GHz的無線ZigBee技術(shù)有很多特點，下面將具體介紹,。
2.1 ZigBee技術(shù)介紹
ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式,，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息,，ZigBee技術(shù)模仿蜜蜂通過跳舞來傳遞信息的方式,，通過相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間信息的接力傳遞，將一個信息從一個節(jié)點傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的另外一個節(jié)點,。
ZigBee技術(shù)的特點是低成本,、低功耗、高數(shù)據(jù)率,，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)良,。
相比于WIFI，ZigBee在技術(shù)上更簡單,，不需要復(fù)雜的上層協(xié)議,，SoC單芯片解決方案成本低，這也導(dǎo)致了它更省電,。
相比于繞射能力更強的低頻段無線通信技術(shù),，2.4 GHz的ZigBee有著更準(zhǔn)確的信號強度指示，更大的數(shù)據(jù)通信率,。對于通信速率,，433 MHz最大100 kb/s的通信速率在一般應(yīng)用中也夠用了，但是通信速率10倍于433 MHz最大傳輸速率的ZigBee技術(shù)(ZICM2410模塊可達1 MHz)將可以承載更多的應(yīng)用,，如體征數(shù)據(jù)傳輸,，環(huán)境參數(shù)采集以及下行信息控制等。
在井下使用ZigBee技術(shù)有以下的好處,。
(1)低功耗省電
單個節(jié)點的模塊功耗低于100 mW,，而且單芯片可實現(xiàn)大部分功能，如圖1所示，ZICM2410模塊,，以每隔10 s發(fā)送一次定位數(shù)據(jù),，使用550 mAh(放電量約為500 mAh)的電池可以工作13個月。
(2)易于實現(xiàn)本安防爆
因為需要的工作電壓低,，工作電流小，只需要在電池安裝處做防火花處理即可,。
(3)有效讀卡范圍遠(yuǎn)
圖1所示的計算表,，已經(jīng)是模塊工作在最大通信范圍時的功耗，在此功耗下,，外置5 dbi的天線,，可實現(xiàn)視距500 m的通信，使用板載天線,，寫字樓內(nèi)通信距離可達到150 m,，基站如果采用有線供電，可以使用大功率高接收靈敏度（ZICM2410P2模塊）,，實現(xiàn)接近300 m的通信距離,。具體模塊參數(shù)如表1所示。
為實現(xiàn)ZigBee設(shè)計者的初衷,，必須要配合相應(yīng)的路由協(xié)議程序,，實現(xiàn)“接力跑形式”的傳遞，參考了ZigBee 2006協(xié)議棧和一些Mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,，我們推出了精簡型快速的ZLGnet無線路由協(xié)議,。
相比于標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議棧，ZLGnet具有路由查找速度快,，路由策略穩(wěn)健等特點,，使用自帶的配置軟件即可實現(xiàn)路由表的獲取，并可以知道哪個節(jié)點的信號強度最弱,，這在布設(shè)基站時,，非常有用。查找路由表界面如圖2所示,。
2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
無線定位通信組件是一個ZigBee網(wǎng)絡(luò),，這個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)是分布于巷道內(nèi)的ZigBee路由中繼節(jié)點，由這些節(jié)點掛接在有線主干網(wǎng)上,，此有線主干網(wǎng)一般為CAN總線,，分布的路由節(jié)點也是井下的標(biāo)尺，配合地面監(jiān)控中心的GIS軟件,，中心監(jiān)測站的技術(shù)人員可以確定每個人的位置,。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示。
在巷道中,，ZigBee信號的傳輸不能像地面無障礙傳輸一樣,，巷道內(nèi)通信距離要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地面視距傳輸距離,，中國礦業(yè)大學(xué)曾對各種頻率的無線電信號在井下的傳輸距離做過詳細(xì)的測試，并發(fā)表了相關(guān)的論文《礦井無線傳輸?shù)奶攸c》,，論文指出,，巷道拐彎、傾斜以及分支對于2 GHz高頻信號影響是非常大的,。因此,，全部走無線，不但成本非常高,，也不利于實現(xiàn)冗余,。可靠的組網(wǎng)方式是采用“CAN(485)有線主干網(wǎng)+無線基站+有源定位卡”的方案,。
在布設(shè)無線系統(tǒng)時,，要在施工前期，做好現(xiàn)場勘查,，需要按照無線系統(tǒng)施工的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程,，準(zhǔn)備現(xiàn)場平面及三維圖，實測信號衰減參數(shù),，撰寫完整的《現(xiàn)場勘查報告》,。
3 小結(jié)
站在無數(shù)煤礦工人的人身安全面前，我們坦誠地說,，我們沒有完整成套的井下定位及通信系統(tǒng),，我們有的，僅僅是對于礦工安全的一份關(guān)注,，一個善意的提議,，我們能為礦井安全做些什么嗎？作為一個致力于工業(yè)通信的科技企業(yè),，我們或多或少承擔(dān)著用技術(shù)來保障人民生命財產(chǎn)安全的社會責(zé)任,。
在此呼吁：煤炭行業(yè)的工程師，請審慎選擇你們使用的每一個器件和產(chǎn)品,，做好各項測試,，心中時刻謹(jǐn)記自己在為自己兄弟姐妹們的生命安全在工作，希望無數(shù)的嵌入式系統(tǒng)研發(fā)企業(yè),，能多一點人文關(guān)注,，攜手提升國內(nèi)煤礦的安全水平。