基于ZigBee的无线网络在煤矿中的应用.docx
《基于ZigBee的无线网络在煤矿中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ZigBee的无线网络在煤矿中的应用.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于ZigBee的无线网络在煤矿中的应用
摘要
为了保证我国现阶段煤矿通信的安全，通过分析煤矿中有线网络和ZigBee无线技术的优缺点，得出ZigBee无线技术具有功耗低、成本低、灵活性好的优势。
根据煤矿中的具体环境，应用ZigBee技术设计了煤矿中通信的路由，规划了无线网络的拓扑结构，并进行了煤矿安全网络的硬件设计和系统集成。
关键词：
煤矿通信;无线网络；ZigBee;系统集成
ABSTRACT
China'scoalminesatthisstageinordertoensurethesecurityofcommunicationthroughthecablenetworkofcoalminesintheZigBeewirelesstechnologyandtheadvantagesanddisadvantagesthatZigBeewirelesstechnologyhaslowpowerconsumption,lowcost,flexibility,goodadvantage.AccordingtocoalminesinthespecificenvironmentandapplicationofZigBeetechnologyinthedesignofacoalminecommunicationsrouting,planningawirelessnetworktopology,andthecoalminesafetynetworkhardwaredesignandsystemintegration.
Keywords:
Undergroundcoalminecommunications;WirelessCommunicationTechnology;ZigBee;Systemsintegration
目录
摘要I
ABSTRACTI
引言1
1煤矿通信技术1
1.1我国煤矿安全现状1
1.2煤矿中信息传输方式现状2
1.3煤矿无线传输技术2
2无线通信技术3
2.1蓝牙技术3
2.2ZigBee技术4
2.3其他的无线传输技术5
2.4几种无线传输技术的比较5
2.5ZigBee无线通信协议6
2.6ZigBee网络拓扑结构8
2.6.1星型网络的形成8
2.6.2点对点网络的形成9
3煤矿井下ZigBee无线网络的设计10
3.1ZigBee的网络设备10
3.2煤矿井下无线网络的结构10
4煤矿井下ZigBee路由的建立11
4.1ZigBee路由请求命令帧12
4.2路由表建立13
4.3路由发现表14
4.4路由发现17
4.4.1启动路由发现17
4.4.2接收到路由请求命令帧17
4.4.3接收到路由应答命令帧19
4.5路由维护20
5煤矿安全网络系统设计与集成21
5.1硬件设计21
5.2煤矿安全系统集成23
总结24
致谢25
参考文献26
引言
随着我国煤炭事业的发展，利用信息技术改造传统的煤炭工业，己受到煤炭企业各级组织的高度重视。
高产高效煤矿对生产过程监控、全矿井生产安全环境监测、生产过程信息综合利用等方面的网络化、自动化和智能化提出了更高的要求，利用电子信息技术改造传统的煤炭行业，实现矿井生产数字化、网络化、管控一体化是必然的趋势。
与此同时，作为煤矿安全生产的薄弱环节,矿井移动通信近年来受到专家的普遍关注。
特别是在矿井下，现有的通信采用的是有线通信，然而当矿井下的环境或者是通道发生一定的变化时，有线通信几经不能满足通信的需要，从而在矿难发生时，矿工人员可能因为得不到有用的信息而遇难。
因此，为了解决有线通信在煤矿中应用的弊端，参考现已经非常成熟的无线通信技术提出了一种适合于在煤矿井下短距离通信的ZigBee无线通信技术。
1煤矿通信技术
1.1我国煤矿安全现状
我国是世界上最大的煤矿生产国，年产量达12亿吨，占世界煤炭总产量的27%，出口量达80万吨，同时我国也是煤炭消耗大国。
煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70%左右，预计到2050年还将占50%以上[1]。
因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。
然而，我国目前的煤矿生产安全形势依然严峻，除交通行业外,煤炭行业事故最多、伤亡最高,每年事故伤亡人数近万人,占国内工业死亡人数的60%以上,全国煤矿平均生产100万吨煤就死亡6人左右,远远高于世界各产煤国家。
煤矿尘肺危害也非常严重,据资料统计,全国省属以上国有煤矿尘肺病患者高达1715万人,占我国尘肺病人数的40%以上,已累计死亡514万人。
煤矿事故多,伤亡大,给职工家属带来极大的痛苦,同时也给国家带来极大的经济损失。
煤矿每发生一起事故,都要付出数目可观的抢救费、医疗费、抚恤金、子女教育费等。
尤其是发生瓦斯煤尘爆炸事故,在造成工程设施和设备的破坏及人员伤亡的同时,间接损失更大,并会引起广泛的社会影响,直接涉及社会安定与政治稳定。
由此可以看出煤矿的全技术改造的重要性和紧迫性。
要实现可持续发展就必须走新型工业化道路。
大力发展煤炭工业信息化，使煤炭生产管理、市场营销、安全监测等环节大大提高劳动生产率是实现新兴工业化道路的重要途径。
我国的煤炭工业由于长期受旧体制的影响，除少数煤矿企业外，科技实力普遍不高，存在很多安全生产隐患。
在煤矿监控领域，只有部分重点大中型煤矿装配了以计算机为中心的集散型监控系统，更多的是简单的模拟系统，且这些系统由几十个厂家提供，各个系统之间不能兼容。
因此，提高煤矿企业的科技实力，特别是小煤矿安全生产的科技实力尤为重要。
因此，随着我国经济的快速增长，对煤炭工业发展提出了更高的要求。
为此，必须加强安全生产，确保煤炭工业持续、稳定、健康发展。
1.2煤矿中信息传输方式现状
目前国内外井下监测系统普遍采用的信息传输方式有:
工业现场总线通信、动力线载波通信、感应通信和漏泄通信等。
载波通信是借用井下既有动力电缆作为信道，这样可省去专门敷设的通信电缆，由于井下动力电缆分支较多，负载变动频繁，工业干扰严重，所处环境恶劣等因素，造成通信质量不够理想。
感应通信是借助于感应体（如感应线、钢丝绳、管道等）来传输信号的，这种传输方式的特点是设备与感应体之间存在互感藕合，不像载波通信那样使设备与信道之间建立直接（通过结合设备）藕合。
因此它具有灵活性并能做成便携式。
感应通信的缺点是:
由于体积限制（便于携带），输出功率较小，不宜用于环境噪声大的场所。
漏泄通信是利用敷设在井下巷道中的一条特制的外导体开缝的射频同轴电缆—漏泄电缆，使这条漏泄电缆既起到长天线的传输作用，又在它的周围形成一个连续的无线电磁波的漏泄场，使巷道的任何截面上都有足够的无线电场强，利用这个漏泄场的场强，可实现漏泄电缆长天线与移动电台天线之间的双向可逆藕合。
这样就把移动电台与之间无线电波复杂的远距离传播问题，转化为移动电台与漏泄电缆之间的简单的近距离传播问题。
漏泄通信的缺点是必须有专用的信道，提高了成套系统的造价。
我国煤炭行业在安全生产监测监控系统上较具有代表性的几个系统如:
KJ95，漏泄通信综合传输监测系统等，它们各自具有独立的通信协议，与其它系统间联网困难，难以做到数据共享，系统的可扩展性受到限制。
将CAN总线运用到了KJF-1型矿井火灾监控系统中[3]。
国内一些大学以及研究院都涉及过一些将CAN总线运用的煤矿监测监控系统的例子。
由于煤矿井下的特殊环境，迄今为止标准化的CAN总线在煤矿监控系统中还没有得到应用[4]。
这主要是因为矿井监控同一般工业监控相比，具有电气要求防爆、传输距离较远，网络为分支结构，电网电压波动范围大，传感器（含执行机构）宜采用远程供电，不宜采用中继器，工作环境恶劣（有爆炸和腐蚀性气体、潮湿、有淋水、矿尘大、空间有限等）等特殊性，因此，在选择现场总线应用时，有必要对现场总线在矿井监控系统中遇到的问题加以考虑，以提高矿井监控系统的通用性，可靠性和易维护性，降低系统成本，以适应高产、高效、高安全煤炭生产的要求。
1.3煤矿无线传输技术
在纵观了煤矿安全系统的特点后，我们研究发现，现阶段随着矿井开采深度增加，系统的扩展性和现行通信网络灵活性不强，造成了已经存在的信息安全系统的新速度达不到要求。
这反映了我国煤矿安全技术相对落后，煤矿安全信息化技术不能满足需求，网络化程度不高，井下安全信息不能及时传到井上生产控制中心，造成井下与井上的信息不对称。
我们在分析近期煤矿发生的事故时发现：
（1）地面与井下人员的信息沟通不及时。
（2）地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况。
（3）一旦煤矿事故发生，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差。
井上管理人员难以及时准确掌握井下人员的分布及作业情况，一旦发生事故，抢险救灾、安全救护的效率低，特别是事故发生后对矿井人员的抢救缺乏可靠的位置信息。
并且，现有的煤矿安全信息系统大多以工业总线为基础，构成有线的通信传输网络。
但是，由于开采计划是伴随井下煤炭的分布情况变化而变化的，有线网络的扩展能力跟不上开采的实际要求，不可避免地暴露出来了覆盖率，扩展性，灵活性等方面不足的问题，为了确保重要的安全数据、控制数据和井下仪表的检测数据得到及时地传输，有必要引进无线网络技术来完善整个信息系统。
随着社会的进步，科技的发展和煤矿安全生产的需要，许多无线通信技术已经涌现出来了。
目前，矿井无线通信技术主要有透地通信技术、中远距离射频感应通信技术、漏泄通信技术以及矿井移动通信技术等。
上述技术有的成木较高，有的功耗相对较大，还有的抗干扰能力相对较差等一些不足，在很大程度上阻碍了在矿业行业推广应用。
在煤矿无线通信方面，2003年，东南大学研究的煤矿井下人员检测与定位系统综合应用WSN（WirelesssensorNetwork无线传感器网）、SDR（ShortDistanceRadio短距离无线通信设备）、WLAN技术，实现了一套高效、高可靠性、低成本、布设容易的无线矿井安全与救援系统.
因此，为了解决上述问题，现已采用了ZigBee技术。
ZigBee技术是由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在2002年10月共同提出设计研究开发的具有低成本、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术。
它以IEEE802.15.4协议为基础，使1822006.24计算机工程与应用用全球免费频段进行通讯，能够在三个不同的频段上通讯。
全球通用的频段是2.400GHz-2.484GHz,欧洲采用的频段是868.0MHz-868.66MHz美国采用的频段是902MHz-928MHz传输速率分别为250kbps20kbps和40kbps通讯距离的理论值为10m-75m。
ZigBee技术是一个新出现的无线个人区域网络通信技术，最显著的技术特点是其协议简单、成本小、功耗低、组网容易等，他非常适用于煤矿井下巷道多曲折、多风门等结构特点和电源供电限制严格、煤炭行业资金短缺等特点。
尽管它有着较低数据传输率，但是这一传输速度仍能够满足井下人员信息传输和煤矿安全的需求。
我们通过对ZigBee无线通信协议的研究，将先进的无线网络技术引进到煤矿安全系统中来，建立了一套组网灵活，扩展性强，安全可靠的煤矿安全无线网络，使得煤矿安全系统的数据传输性能和效率都得到大大的提高，降低了系统扩展所带来的成本，从而提高我国煤矿安全领域的信息技术化进程。
我们研发的煤矿安全系统必定能够有效扼制煤矿安全事故的发生。
2无线通信技术
随着科学技术的不断提高，人们对信息传输的速率、传输质量和传输距离也有了更高的要求。
我们就现有的几种无线传输技术Bluetooth,Wi-Fi，ZigBee，GPRS/LXRTT/CDMA/GSM和UWB作了简要的介绍。
2.1蓝牙技术
蓝牙技术[5]由爱立信、东芝、BIM和英特尔等公司于1998年提出。
主要用来打破以红外线或电缆线连接不同产品时受到的限制。
2000年，蓝牙技术使得移动电话等设备与个人电脑或任何其他设备、仪器之间，能够在约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可进行数据交换。
蓝牙是实现话音和数据无线传输的开放性规范[6]，是一种低成本、短距、支持点到点和点到多点的通信的无线通信技术，它具有以下特点:
1）蓝牙技术使用2.4GHzSIM频段，无需申请频率许可证。
2）低功率、短距离。
蓝牙技术的额定输出功率0dBm，传输距离10cm-10m，在加入额外的功率放大器后，如20dBm时可达100米；
3）采用跳频扩频技术避免干扰和衰落，并采用快跳频（跳频速率达1600跳/秒）、分组及快速等方法进一步避免干扰和衰落，提高传输的可靠性。
在干扰下，使用短数据分组来尽可能增大容量。
4）使用1Ms/s符号速率以达到最大限制带宽，宽带链路配置支持低价的单芯片，且在快速确认机制下使用较低的编码开销。
5）信息分组传输，同时支持话音和数据。
采用TDD全双工方式，基带协议用电路交换和分组交换混合方式，组网方便灵活。
从物理层、链路层和业务层三方面提供安全措施[7]，保密性好。
支持点到多点连接。
蓝牙技术具有强大数据通讯优势，但是由于蓝牙技术主要针对数据交换及语音信号传输，同其它个人通信技术相比，其协议过于复杂、芯片成本较高。
2.2ZigBee技术
ZigBee是由英国、美国、荷兰以及日本一些著名的公司于2002年联合推出的一种近距离、复杂度低、功耗低、数据速率低、成本低的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。
ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了IEEE802.15.4作为其物理层和媒体接入（MAC）层，而IEEE802.15.4[8]工作组定义了一种廉价的供定、便携式移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。
并且ZigBee能支持消耗功率最少，一般是个人活动空间（10m直径或更小）内的简单器件。
ZigBee支持两种网络拓扑，即单跳星状和当通信线路超过10m的多跳对等拓扑。
但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。
ZigBee具有以下特点：
①低功耗。
在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。
这是ZigBee的突出优势。
②低成本。
大幅度简化了协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求。
它是按预测分析的，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，而且ZigBee不用协议专利费。
③近距离。
在相邻节点间的距离传输范围一般介于10～100m之间，增加RF发射功率后，亦可增加到1～3km。
如果通过路由和节点之间产生通信接力的话，传输距离将可以更远。
④短时延。
ZigBee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。
⑤高容量。
ZigBee可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成节点为65000个的大网。
⑥高安全。
ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，用来灵活确定其安全属性。
⑦免执照频段。
采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM）频段，一般使用的频段是2.4GHz（全球），915MHz（美国）和868MHz（欧洲）。
2.3其他的无线传输技术
Wi-Fi（无线高保真）[9]是一种无线通信协议，主要解决的是无线局域网的接入问题，它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方案，但它的功耗却非常高，不能满足井下设备低功耗的要求。
无线通信质量不是很好，数据安全性能差，也不能应用于强干扰的煤矿环境。
GPRS/LXRTT/CDMA/GSM一般用于移动数字终端，这些公众系统虽然覆盖范围大，用户容量大，但移动信号无法覆盖煤矿井下，井下使用效果较差。
UWB（超宽带技术）[10]是一种成本非常高的通信协议，它的电池在补充电的情况下只能使用几个小时，并且传输的距离只有30m，虽然他的系统容量大，隐蔽性好，数据的传输速率高，抗干扰能力强，但是所用到的通讯频道是3.1-10.6GHz，需要申请频道专用费，成本很高。
也不能满足煤矿低成本的要求。
2.4几种无线传输技术的比较
上几节中我们已经介绍了Bluetooth,Wi-Fi，UWB,ZigBee等几种无线传输技术，下表2-1是这几中传输技术的比较：
表2-1几种无线传输技术的比较
市场名标准
Wi-Fi
UWB
Bluetooth
ZigBee
成本
较高
最高
较低
最低
电池寿命
几天
几小时
几天
几年
有效距离
100m
<10m
10m
10-75m
传输速率
5.5/11Mbps
40-600Mbps
1-3Mbps
20/40/250Mbps
采用协议
802.11b
802.11b
802.15.1
802.15.4
通讯频道
2.4GHz
3.1-10.6GHz
2.4GHz
868MHz/915MHz/2.4GHz
成功尺度
速度，灵活
速度高，容量大
价格便宜，方便
可靠，低功耗，价格便宜
具体分析如下：
（1）复杂性
ZigBee的系统复杂性要远小于蓝牙的系统复杂性，这可以从它们的协议栈的参考模型来看出ZigBee的协议栈实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28K，蓝牙的协议栈相对复杂，它需要系统资源约为250K。
ZigBee定义T两种类型的设备：
全功能设备FFD和简化功能设备RFD。
网络为主从结构，一个网络有一个网络协调器。
网络协调器必须是FFD，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性等。
一个网络只需要一个网络协调器，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。
RFD的价格要比FFD便宜得多，其占用系统资源仅约为4Kb，因此网络的整体成本比较低。
（2）低成本性
ZigBee的协议还不到蓝牙协议的1/10，降低了对通信控制器的要求.并且ZigBee不用协议专利费,每块芯片的价格大约为2美元。
（3）低功耗性
低功耗是ZigBee最重要的特点。
因为对电池供电的简单器件而言，更换电池的花费往往比器件本身的成本还要高。
因为蓝牙技术的数据传输速率比较高，因此会加大对于芯片的能量开销，在煤矿安全无线网络中，对于传输的数据基本上是以传感器的数据为主，因此对于绝对速度要求不高，但是由于系统主要是在井下工作，周围条件比较恶劣，在有限条件下的应用中，更换电池不仅麻烦，而且实际上是不可行的，所以在ZigBee的数据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制。
多数机制是基于信标使能的方式，主要是限制器件或协调器之收发信机的开通时间，或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。
除此之外，蓝牙技术基本上只是设计作为有线的替代品，现在常见的是把蓝牙应用于手机和附近的耳机，传输速率比较快。
别外，它可以在不充电的情况下工作几周，但无法工作几个月，更不用说几年了。
一般情况下，蓝牙设备需要人手配置和维护网络连接；它可以用来有效地处理8个设备（一个主设备和7个从设备），如果更多的话，通讯速率则显著下降。
因此，通过上面几种无限技术的比较，我们可以发现在煤矿安全无线网络中，无线网络覆盖的区域根据具体煤矿的大小而定，并且，煤矿无线网络结构很随着工作的进一步进行，也会随之变化，而在一般情况下，我国煤矿的采矿区域一般比较大，网络结构也比较复杂。
因此，从低成本，低功耗，低复杂度，灵活性等方面考虑，采用以ZigBee技术为基础的，无线网络组网技术更加符合煤矿安全系统的实际需要和特点。
2.5ZigBee无线通信协议
IEEE无线个人区域工作组的IEEE802.15.4技术标准是ZigBee技术基础，它使用全球免费频段进行通讯，能够在三个不同的频段上通讯。
全球通用频段是2.400—2.484GHz，欧洲采用的是868.0—868.6MHz，美国采用的是902—928MHz，传输速率分别为250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s，通讯距离的理论值为10—75米。
其中IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、地数据率、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术网络层以上的协议，由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。
IEEE802.15.4协议栈结构如表3-1所示。
表2-2IEEE802.15.4协议栈结构
应用层
应用层接口API
网络应用层
数据链路层DDL
介质访问层MAC
物理层PHY（2.4GHz和868/915MHz）
物理层主要是解决编码调制、通信速率、通信频段的选取等问题，物理层的编码调制关系到频率带宽、通信速率、收发功率等一切问题，采用不同的调制方式应用于不同的节点技术中。
IEEE802.15.4协议把物理层分为了两个频段：
2.4GHz和868/915MHz。
2.4GHz频段为全球统一的无序申请的ISM频段，数据传输速率为250kbps，较高的速率主要归因于直接序列扩频DSSS方法的准正交调制技术。
采用这种技术可以获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。
在频段选择方面，可适用免许可证频段ISM频段。
868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近的各种无线通信设备的相互干扰。
他们的传输速率为20kb/s和40kb/s，使用简单的DSSS方法。
使用这两个频段上的无线信号传播损耗较小，可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。
完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，如表2-2所示。
表2-3ZigBee协议栈结构
应用层
应用汇聚层
网络层
IEEE802.15.4LLC
IEEE802.2LLC
IEEE802.15.4MAC
868/915MHz物理层
2.4G物理层
a）物理层：
遵循IEEE802.15.4协议，是协议栈的最底层。
它负责启动和关闭无线收发器、能量检测、链路质量、信道选择、清除信道评估（CCA）以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。
b）MAC层：
遵循IEEE802.15.4协议，可以实现信标管理、信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送连接及断开连接请求，还为应用合适的安全机制提供一些方法。
它包含具有时间同步信标的可选超帧结构，采用免碰撞的载波侦听多址访问（CSMA-CA）。
同时，它还负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束，确认模式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输，支持各种网络拓扑结构，网络中每个设备为16位地址寻址。
c）网络层：
建立新的网络，处理节点的进入和离开网络，根据网络类型设置节点的协议堆栈，使网络协调器对节点分配地址，保证节点之间的同步，提供网络的路由，保证数据的完整性，使用可选的AES-128对通信加密。
d）应用层：
主要负责向用户提供简单的应用软件接口（API），包括应用子层支持APS（Applica
升级会员 