1．引言

　　近年來,，隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展,，人們對(duì)無線通信的要求越來越高，短程,、低速,、廉價(jià)的“ZigBee”無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)。ZigBee技術(shù)[1]是一種近距離,、低復(fù)雜度,、低功耗、低數(shù)據(jù)速率,、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中,，同時(shí)支持地理定位功能,。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是最低功耗和成本的技術(shù),也是目前嵌入式應(yīng)用的一大熱點(diǎn),。

　　目前,，國(guó)內(nèi)的煤炭生產(chǎn)安全事故不斷發(fā)生，特別是瓦斯爆炸事故接連發(fā)生,，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來了巨大損失,。面對(duì)現(xiàn)實(shí)情況，不斷加強(qiáng)災(zāi)害預(yù)防,、事故救助等措施將事故帶來的損失降至最低,，已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。因此,，實(shí)現(xiàn)井下人員的定位和各種安全生產(chǎn)要素以及井下環(huán)境（如瓦斯,、溫度、濕度等環(huán)境指標(biāo)）的無人自動(dòng)采集尤為重要,。由于礦山井下環(huán)境復(fù)雜,，對(duì)功耗、抗干擾性等方面有較嚴(yán)格的要求,，因此可以選擇ZigBee技術(shù)的無線通訊網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境監(jiān)測(cè)和人員定位,。目前許多公司對(duì)于ZigBee技術(shù)應(yīng)用都有一定的研究[2]。

　　2. ZigBee技術(shù)

　　ZigBee是基于IEEE 802. 15. 4的無線通信協(xié)議,它是一種短距離,、低功耗協(xié)議,專用于小型設(shè)備如溫度調(diào)節(jié)裝置,、照明控制器、鎮(zhèn)流器,、環(huán)境檢測(cè)傳感器與醫(yī)療設(shè)備等,。一個(gè)基于ZigBee 的無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)能持高達(dá)254個(gè)節(jié)點(diǎn),外加一個(gè)全功能器件,即實(shí)現(xiàn)雙向通訊。

　　ZigBee技術(shù)的較低數(shù)據(jù)速率以及較小通信范圍的特點(diǎn)決定ZigBee技術(shù)適于承載數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務(wù)。

　　2．1 ZigBee 聯(lián)盟

　　ZigBee 技術(shù)的物理層和鏈路層主要采用IEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),，而網(wǎng)絡(luò)層,、安全協(xié)議、應(yīng)用文檔以及市場(chǎng)推廣由ZigBee 聯(lián)盟[3]負(fù)責(zé),。ZigBee 聯(lián)盟成立立于2002年8月, 由英國(guó)Invensys公司,、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成, 如今已吸引了上百家芯片公司,、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入,。

　　2．2 ZigBee協(xié)議棧

　　ZigBee 協(xié)議棧[4]采用分層結(jié)構(gòu), 包括: 物理層(PHY Layer)、媒體接入控制層(MAC Layer),、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。如圖1所示,。

　　網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定, IEEE組織負(fù)責(zé)定制PHY 層和MAC 層標(biāo)準(zhǔn),。應(yīng)用層包括應(yīng)用對(duì)象終端設(shè)備和應(yīng)用接口層, 且最多只能包含31 個(gè)應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用接口層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層上, 其中包括: 安全與鑒權(quán),、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚,、設(shè)備發(fā)現(xiàn)及業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層主要考慮采用基于ad2hoc 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議, 包含以下功能: 通用的網(wǎng)絡(luò)層功能, 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù), 命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù), 包含了尋址,、路由和安全,，有自組織、自維護(hù)功能, 以最大程度減少消費(fèi)者的開支和維護(hù)成本,。媒體接入控制層協(xié)議包括以下功能: 設(shè)備間無線鏈路的建立,、維護(hù)和取消; 確認(rèn)模式的幀傳送與接收; 信道接入控制; 幀校驗(yàn); 預(yù)留時(shí)隙管理; 廣播信息管理。

　　2．3 ZigBee 技術(shù)的特點(diǎn)

　　ZigBee 技術(shù)的具有以下特點(diǎn)[5]：

　?、?低功耗:由于ZigBee 的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電,。據(jù)估算,ZigBee 設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5 號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月到2 年左右的使用時(shí)間,其功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它無線設(shè)備。

　?、?成本低: ZigBee 模塊的初始成本在6 美元左右,估計(jì)很快就能降到115～215 美元,并且ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的,。低成本對(duì)于ZigBee 也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

　?、?時(shí)延短:通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短,典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms ,休眠激活的時(shí)延是15ms ,活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms,。因此ZigBee 技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等) 應(yīng)用。

　?、?網(wǎng)絡(luò)容量大:一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備,而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活,。

　　⑤ 可靠:采取了碰撞避免策略,同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突,。MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息,。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。

　　⑥ 安全:ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證,采用了AES - 128 的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性,。

　　正是這些全新的特點(diǎn),，將使ZigBee技術(shù)將在無線數(shù)傳，無線傳感器網(wǎng)絡(luò),，無線實(shí)時(shí)定位,，射頻識(shí)別，數(shù)字家庭,，安全監(jiān)視,，無線鍵盤，無線遙控器,，無線抄表,，汽車電子，醫(yī)療電子,，礦山井下環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面得到非常廣闊的應(yīng)用,。

 　　3．ZigBee在礦山中的應(yīng)用

　　利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下人員的定位和各種安全生產(chǎn)要素以及井下環(huán)境（如瓦斯,、溫度,、濕度等環(huán)境指標(biāo)）的無人自動(dòng)采集。從而,，在事故發(fā)生前,，安全生產(chǎn)監(jiān)控中心，可以隨時(shí)掌握井下不同位置的各種安全生產(chǎn)的要素,。從而采取積極有效的預(yù)防措施,；事故發(fā)生后，可以掌握事故發(fā)生當(dāng)時(shí),，甚至事故發(fā)生后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi),，井下工作人員的具體分布位置，不同位置的瓦斯?jié)舛鹊惹闆r,，從而制定及時(shí)有效的搶救措施,，并實(shí)施有效的現(xiàn)場(chǎng)搶救指揮。

　　3．1 建立定位網(wǎng)絡(luò)

　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要,，沿坑道每隔一定距離（50 - 500米）在坑道頂部設(shè)置一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊（可采用電池驅(qū)動(dòng)或使用其他電源）,，同時(shí)在其他需要定位和網(wǎng)絡(luò)連接的地方，也安置一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊,；為了避免井下環(huán)境對(duì)無線信號(hào)的干擾,，所有無線網(wǎng)絡(luò)模塊使用的都是抗干擾的直序擴(kuò)頻通信方式，而且,，每個(gè)模塊都有接收信號(hào)強(qiáng)弱指示功能（RSSI）,。

　　所安置的網(wǎng)絡(luò)模塊將自動(dòng)組成一個(gè)ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)[6]，在布置網(wǎng)絡(luò)模塊的位置時(shí)，注意應(yīng)使每個(gè)模塊至少可與兩個(gè)以上的模塊進(jìn)行通信,，即避免單線聯(lián)系以保證ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性,。這個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際就是一個(gè)定位網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)定位點(diǎn),，不同的是,，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積要小得多，耗電也小,，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信,，不需要使用光纖或通信電纜連接。

　　3．2 建立移動(dòng)目標(biāo)的無線身份碼

　　每一個(gè)需要定位的移動(dòng)目標(biāo)（例如礦工）,，都需要隨身攜帶一個(gè)無線身份卡,，或固定在安全帽上的一個(gè)紐扣電池驅(qū)動(dòng)的全封閉的模塊約（50 x 40 x 8 mm）大小，每個(gè)模塊的發(fā)射功率小于1mW.

　　為了增加電池使用壽命,，無線身份模塊每隔10 – 30 秒發(fā)射一個(gè)身份碼信號(hào),。為了避免井下環(huán)境對(duì)無線信號(hào)的干擾，所有無線身份卡模塊使用的都是抗干擾的直序擴(kuò)頻通信方式,；該無線身份模塊與瓦斯探測(cè)傳感器等相連，當(dāng)出現(xiàn)瓦斯超標(biāo)時(shí),，該無線模塊可以立即通過ZigBee網(wǎng)絡(luò),將報(bào)警信號(hào)傳往監(jiān)控中心,，必要時(shí)，將同時(shí)啟動(dòng)其它聯(lián)動(dòng)的應(yīng)急設(shè)備,；

　　3．3 移動(dòng)目標(biāo)位置的確定

　　當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)在不同的位置發(fā)射身份碼信號(hào)時(shí),，如果定位精度要求不高，坑道情況比較復(fù)雜時(shí),，人員密度較高時(shí),，則將任何一個(gè)接收到該移動(dòng)目標(biāo)身份碼信息的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置，當(dāng)作移動(dòng)目標(biāo)位置,，這種方法往往需要較小的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距（例如50米）,，和較小的無線身份模塊的發(fā)射功率。

　　當(dāng)定位精度要求較高,，坑道環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單時(shí),，則可使用兩點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度定位法；即當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)在不同的位置發(fā)射身份碼信號(hào)時(shí),，處于該移動(dòng)目標(biāo)兩端的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),，因距該移動(dòng)目標(biāo)距離遠(yuǎn)近的不同，所收到的信號(hào)強(qiáng)度也不同,。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)將把該移動(dòng)目標(biāo)身份碼,，以及在相應(yīng)的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到該身份碼時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度傳往控制中心，通過簡(jiǎn)單計(jì)算，再加上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)效正,，很容易確定該移動(dòng)目標(biāo)的位置,。

　　在使用以上方法定位時(shí)，為了進(jìn)一步提高定位的準(zhǔn)確性,，還需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),，移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)的接收靈敏度，和發(fā)射功率進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,。

　　4.結(jié)束語

　　ZigBee所具有的短距離,、低成本、低功耗,、易實(shí)現(xiàn),、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)非常適合于礦山井下環(huán)境監(jiān)測(cè)、人員定位,。這是一種適用于大中型礦井的無線網(wǎng)絡(luò),，能夠有效的了解礦山井下運(yùn)行環(huán)境參數(shù)，及時(shí)調(diào)度生產(chǎn),，防止事故的發(fā)生,，安全生產(chǎn)。在大中礦井和工廠具有良好的推廣應(yīng)用前景,。