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一、煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)介紹

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)應該是一個功能完善結構復雜的系統(tǒng)。該系統(tǒng)要具有對各類信號積累計量、開關量、模擬量等進行實時采集，快速傳遞，完整保存，及時處理，清晰顯示，聲光報警，控制等功能。系統(tǒng)可以對現(xiàn)場的一氧化碳，甲烷等氣體的濃度，井下的濕度，溫度，風速以及礦井內有無粉塵和煙霧進行實時監(jiān)控。對于礦井下的各類設備可以進行遠程遙控，比如打開或關閉主通風機，開啟或關閉風門。為了監(jiān)控甲烷濃度，一氧化碳濃度，風速，累計產(chǎn)煤量，溫度，煙霧，饋電狀態(tài)，油門狀態(tài)，風筒狀態(tài)，局部通風機打開和關閉，所以系統(tǒng)較為復雜，組成部分也比較多。系統(tǒng)包括主機、I/O接口電路、分站、無線傳感器、報警器、電纜、接線柜、電源箱等設備。無線傳感器網(wǎng)絡的基本組成單位是數(shù)量眾多的移動或靜止的傳感器。傳感器是以多跳及自自組織的形式來構建監(jiān)控網(wǎng)絡的。它的功能是對網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內的監(jiān)控對象進行信息的測量、采集、傳送、處理，并報告給用戶。用戶接受到的數(shù)據(jù)其實是先由現(xiàn)場的傳感器探測到，數(shù)據(jù)匯合到匯聚節(jié)點后在通過網(wǎng)絡發(fā)送過來的。無線傳感器網(wǎng)絡的英文是WirelessSensorNetwork，簡稱WSN。系統(tǒng)中使用了三大基礎技術，首先利用傳感器技術采集數(shù)據(jù)，然后利用通信技術傳輸信息，最后利用計算機技術進行處理。煤炭監(jiān)控管理系統(tǒng)，無線數(shù)據(jù)傳輸平臺和地面中心站這三個部分構成了煤礦無線安全監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)。

（1）煤炭監(jiān)控管理系統(tǒng)：包括用戶使用的操作界面，網(wǎng)絡通訊的服務器以及實時數(shù)據(jù)庫的服務器。

（2）無線數(shù)據(jù)傳輸平臺：平臺使用的是像CDMA網(wǎng)絡這樣的無線公網(wǎng)。

（3）地面中心站：包括監(jiān)控主機、I/O接口、UPS電源、CDMA無線路由器、打印機、配套的監(jiān)控軟件、分站、溫度傳感器、風速傳感器、煙霧傳感器、一氧化碳傳感器、瓦斯傳感器、設備開停傳感器、遠動開關等等各類設備組成。

二、網(wǎng)絡節(jié)點結構

WSN技術具有非常良好的應用相關性，其應用相關性的優(yōu)越性很好即使是利用平臺構建的系統(tǒng)也無法企及。一個性能完善的無線傳感器網(wǎng)絡一般都要涉及多個不同學科，例如拓撲控制，網(wǎng)絡協(xié)議和安全，數(shù)據(jù)融合等。在應用WSN技術的希望達到使用小能量即可使系統(tǒng)長期穩(wěn)定地工作，所以WSN技術應用的重要目標就是能效比要高。下面用一個圖形來反映WSN節(jié)點的構造。

三、網(wǎng)絡協(xié)議棧

無線網(wǎng)絡要想構建的好那么先決條件就是網(wǎng)絡協(xié)議建立的是否合理。五協(xié)議，三平臺架構比較得合理，所以五層協(xié)議被九成的無線網(wǎng)絡使用。五層協(xié)議包括：

(1)提供無線信號收發(fā)和信號轉換的物理層。

(2)支持媒體實時訪問，數(shù)據(jù)成幀及幀檢測的數(shù)據(jù)鏈路層。

(3)負責路由器相關工作的網(wǎng)絡層。

(4)負責各類信息快速流通的傳輸層。

(5)為保障硬件系統(tǒng)正常工作而提供軟件支撐的應用層。三平臺是：

(1)進行能源配置的能源管理平臺。

(2)負責傳感器運行的移動管理平臺。

(3)進行煤礦各項工作任務協(xié)調的任務管理平臺。

四、ZigBee介紹

ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。依據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的是一種適用于無線網(wǎng)絡的通信技術，這種技術適用于較短的距離，功率消耗低是它的一個突出的優(yōu)點。ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構，拓撲結構（NetworkTopology）即網(wǎng)絡中各處的連接策略，拓撲結構的形式有很多種。一個ZigBee網(wǎng)絡是由協(xié)調器，路由器和終端設備等三類設備組織而成的。一個ZigBee網(wǎng)絡可以最多使用的網(wǎng)絡拓撲形式很多，主要以樹形，環(huán)形，星形，網(wǎng)狀為主，網(wǎng)絡上的節(jié)點數(shù)根據(jù)現(xiàn)場的實際情況制定少則幾十個多則可達65536個。靈活的保證，無線網(wǎng)絡可靠性的大大提高主要依靠網(wǎng)絡的自恢復能力，網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸搽S著數(shù)據(jù)路由的自由靈活組合而大幅度增強。這些特點使得它非常適合于對可靠性要求高的無線網(wǎng)絡。一個ZigBee網(wǎng)絡可以包括多個路由器和終端設備，而協(xié)調器只需要一個就夠了。無線網(wǎng)絡的建立、維護由協(xié)調器來負責，而路由器的作用是把最佳的路由器為數(shù)據(jù)選擇出來。標準的7層開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型是ZigBee協(xié)議棧體系結構的基礎，但不需要對每層都進行定義，定義的只是針對那些要涉及到的ZigBee層。實際應用中七層中僅有物理層（PHY）和介質接入控制層（MAC）兩層涉及其中，所以在設計時IEEE802.15.42003標準只定義了處于底部的這兩層。ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)設計出網(wǎng)絡層和應用層（API）這兩層的框架，無需再另外設計。其中，應用層的框架結構包括了ZigBee設備對象（ZDO），應用支持子層（APS）和制造商開發(fā)的應用程序對象三個部分。體系結構如圖3所示：ZigBee的功能造成它使用上針對性較強，它可以使用在包括工業(yè)，農(nóng)業(yè)以及建筑等自動化網(wǎng)的建設中。由于ZigBee中傳感器可以對數(shù)據(jù)實時采集和監(jiān)控，利用這個特點那么電力行業(yè)，礦山行業(yè)和物流行業(yè)等都可以成為ZigBee技術的用武之地。對所建網(wǎng)絡范圍內的各個區(qū)域內的移動目標可以進行良好定位是ZigBee技術的又一個特色，所以ZigBee技術在遙測方面也大放異彩。

將無線傳感器網(wǎng)絡技術應用到煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡組建，傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳遞。由于Zigbee技術成本很低，低復雜度，低功耗和自組網(wǎng)的特點，使得這個技術可以在煤礦安監(jiān)中廣泛應用。

作者:朱珠單位:江西省冶金技師學院