傳統的礦井安全管理方式以人為主要因素,缺乏定量指標,準確性差,越來越不適應現代化生產的需要。將短距離通信新秀Zigbee應用于礦井安全領域,提出一種定性定量的評估方式:采用Zigbee將終端傳感器收集的各種參數傳至坑道上的網關,再采用有線方式將網關數據傳輸至地面上的中央控制計算機,由計算機對數據進行分析比較,對礦井安全狀況做出評估。

 

 

2.1  系統組成

 

2.1.1數據采集終端

 

     終端設備主要由各種傳感器、報警器以及Zigbee發射接收模塊組成。傳感器主要由兩部分組成,一部分用于環境監測:包括瓦斯濃度探測、一氧化碳濃度探測、空氣濕度探測等功能;另一部分用于礦工生命體征的采集: 諸如脈搏、血壓、呼吸、體溫等,包括脈搏傳感器、溫度傳感器、狀態傳感器等。上述各種傳感器對各種原始信號進行采集后,需要進行模擬信號到數字信號的轉換,這一過程要經過模擬信號放大器,A/D轉換器,電平比較器,信號處理器等設備,轉換后得到的數字信號經過Zigbee發射模塊無線傳輸至礦井坑道壁上的網關設備。

2.1.2無線傳輸設備

 

    前端采用四信F8914 ZigBee模塊，通過232/485（端子接口）和礦井終端內的采信或是傳感器相連，Zigbee作為一種無線連接,可工作在2. 14 GHz(全球流行) 、868 MHz (歐洲流行)和915 MHz (美國流行) 3個頻段上,分別具有最高至250 kbit/ s、20 kbit/ s、40 kbit/ s的傳輸速率。該型號設備一般為終端節點，互相之間不能通訊，完成信息的發送和接收。實物如圖1

    ZigBee中心節點采用四信F8114 ZigBee+GPRS模塊，中心節點收到的數據可以通過串口直接是輸出到服務器上（前端與服務器的距離較近）；還可有通過GPRS把其收到的數據發送的遠端的服務器上，GPRS部分采用國際標準TCP/IP通信協議，且兩種方式都是實現數據透明傳輸功能。省去了每個終端的GPRS模塊，只需要中心節點一個，節約了成本。實物如圖2

2.1.3數據管理中心分析礦井返回數據

    實現實時數據的存儲、分析、反空的功能。根據傳輸上來的數據可以判斷當前工作人員的身體狀態及其環境質量的狀態。

    F8914（前端）通過標準的232/485與礦井監控一級終端里的PLC連接通信，獲取的數據直接通過2.4G頻率發送到F8914(中心節點)。F8914(中心節點)通過串口與服務器連接，把數據送到后臺，后臺管理軟件對數據進行分析。如圖3所示

 

   F8114首先進行GPRS撥號上網，然后自動向數據管理中心發起TCP連接，握手成功后開始數據透明傳輸。礦井監控終端把數據集中采集通過PLC把數據傳給F8914，F8914接到數據后即時的將數據通過ZigBee網絡傳送到F8114。F8114通過GPRS數據管理中心將上傳的數據進行分析處理，得出直觀的結果和相應的指令通過GPRS網絡發送給F8114，再通過ZigBee網絡傳送到F8914即時通過232/485傳送給PLC，PLC根據指令對路燈做出相應的控制處理，以此達到遠程控制路燈的效果。如圖4所示

2.2.2.2 數據中心網絡接入方式

 

1.專線接入

    中心采用APN專線， 所有點都采用內網固定IP客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡才能進入專網APN，防止其他非法用戶的進入。用戶在內部建立RADIUS服務器，作為內部用戶接入的遠程認證服務器（或在APN路由器內，啟用路由器本地認證功能）。只有通過認證的用戶才允許接入，用以保證用戶內部安全。

     用戶在內部建立DHCP服務器（或在APN路由器內，啟用DHCP功能），為通過認證的用戶分配用戶內部地址。移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。此種方案無論實時性，安全性和穩定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數據點比較多、實時性要求較高的應用環境。在資金允許的情況下之最佳組網方式。

 

2. ADSL撥號連接（動態公網IP地址）

    中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網動態IP+DNS解析服務的。客戶先與DNS服務商聯系開通動態域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心公網動態IP，建立連接。此種方式可以大大節約公網固定IP的費用，但穩定性受制于DNS服務器的穩定，所以要尋找可靠的DNS服務商。此種方案適合小規模應用。

 

3. 通過固定公網IP連接

    中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網固定IP服務的。此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業務，中心有公網固定IP的。IP MODEM直接向中心發起連接。運行可靠穩定，推薦此種方案。

 

 

1、整個系統的控制,數據處理比較以及決定是否發出報警,礦難發生時記錄終端位置以便營救,對整個系統的數據進行自動備份,且自動上傳至政府安全生產監督管理局監管系統主機。

 

2、 對系統的控制包括控制Zigbee網絡開啟關閉設置參數等。

 

3、 數據處理主要是對收集的各種參數與預先內置在系統中正常值進行比較,比如對瓦斯濃度進行對比以決定是否要切斷電源;對一氧化碳濃度進行對比以決定是否要人員撤離;對空氣濕度進行對比以判斷是否有發生透水事故的可能等。

 

4、 軟件系統中查詢歷史數據的功能,通過查詢就可以得知在發生意外時,各個終端的具體位置,以及終端佩帶者當時的身體狀況,從而為詳細制定營救方案提供依據。

 

5、對于所有礦井安全管理的數據都要自動上傳到當地國家安全生產監督管理局的監控主機,便于政府對礦業安全的監管。

 

三、方案特點

 

1 、傳輸模塊采用無線接入GPRS網絡，目前GPRS網絡在國內已經運營了十幾年，網絡穩定，技術成熟，覆蓋率廣。

 

2、傳輸模塊采用工業級ZigBee模塊，標準頻段IEEE802.15.4  ISM2.4GHz,通信距離90m,戶外通信距離800m,發射功率22dBm（增加功放），接受靈敏度-104dBm；低功耗設計，支持多級休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗，內置實時時鐘（RTC），支持定時開關機功能，定時關機狀態下功耗小于1mA。外接電源DC 12V/500mA（標準）；通信電流：50mA-80mA@12VDC、115-150mA@5VDC;待機狀態：20mA@12VDC、35mA@5VDC；休眠狀：8mA@12VDC、18mA@5VDC；

工作環境溫度 -25~+65ºC;儲存溫度 -40~+85ºC;相對濕度 95%(無凝結);多重軟硬件看門狗設計。適用于戶外工作環境。

 

3、傳輸模塊具有可靠的網絡連接、智能防掉線、支持在線檢測、在線維護、掉掉線自動重拔，確保設備永遠在線，確保通信通道正常，為數據中心提供數據。

 

4、終端傳輸模塊支持多種激活方式，如語音電話、短信、數據等；終端設備故障或異常時，自動發短信報警信息給維護人員。

 

5、傳輸模塊采用主備份中心與中心自動恢復功能，并同時支持多中心并發功能（最多五個）。

 

6、方便控制，管理人員不需要親臨現場就可以對現場的設備進行監視，完成參數的調整與設置，進行有效的故障恢復等，大大提高勞動生產率，節約了生產的人力資源。

 

7、及時響應，實時的遠程監控，可以對故障做出及時的響應，從而大大降低故障帶來的經濟和其他方面的損失。

 

8、規范管理和操作，運行作業過程全面監控是非常必要的，通過過程監測，可將傳感器采集到得數據以數字方式全部記錄下來，從而作為事故分析的依據。