1．引言

近年來，隨著網絡和通信技術的發(fā)展，人們對無線通信的要求越來越高，短程、低速、廉價的“ZigBee”無線網絡技術正逐漸成為關注的焦點。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術，主要適合于承載數據流量較小的業(yè)務，可嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee技術是.低功耗和成本的技術，也是目前嵌入式應用的一大熱點。

目前，國內的煤炭生產安全事故不斷發(fā)生，特別是瓦斯爆炸事故接連發(fā)生，給人民生命財產帶來了巨大損失。面對現實情況，不斷加強災害預防、事故救助等措施將事故帶來的損失降至.低，已經成為當務之急。因此，實現井下人員的定位和各種安全生產要素以及井下環(huán)境（如瓦斯、溫度、濕度等環(huán)境指標）的無人自動采集尤為重要。由于礦山井下環(huán)境復雜，對功耗、抗干擾性等方面有較嚴格的要求，因此可以選擇ZigBee技術的無線通訊網絡來實現井下環(huán)境監(jiān)測和人員定位。正偉就這一行業(yè)寫出了相應的應用方案。

2.ZigBee技術

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，專用于小型設備如溫度調節(jié)裝置、照明控制器、鎮(zhèn)流器、環(huán)境檢測傳感器與醫(yī)療設備等。一個基于ZigBee的無線個域網(WPAN)能持高達254個節(jié)點，外加一個全功能器件，即實現雙向通訊。

ZigBee技術的較低數據速率以及較小通信范圍的特點決定ZigBee技術適于承載數據量較小的業(yè)務。

2．1 ZigBee 聯盟

ZigBee 技術的物理層和鏈路層主要采用IEE802.15.4標準，而網絡層、安全協(xié)議、應用文檔以及市場推廣由ZigBee 聯盟[3]負責。ZigBee聯盟成立立于2002年8月，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司及荷蘭飛利浦半導體公司組成, 如今已吸引了上百家芯片公司、無線設備公司和開發(fā)商的加入。

2．2 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee 協(xié)議棧[4]采用分層結構，包括：物理層(PHY Layer)、媒體接入控制層(MAC Layer)、網絡層和應用層。如圖1所示：

網絡層以上協(xié)議由ZigBee聯盟制定，IEEE組織負責定制PHY層和MAC層標準。應用層包括應用對象終端設備和應用接口層，且.多只能包含31個應用對象。應用接口層將主要負責把不同的應用映射到ZigBee網絡層上，其中包括：安全與鑒權、多個業(yè)務數據流的會聚、設備發(fā)現及業(yè)務發(fā)現。網絡層主要考慮采用基于ad2hoc技術的網絡協(xié)議，包含以下功能：通用的網絡層功能，拓撲結構的搭建和維護，命名和關聯業(yè)務，包含了尋址、路由和安全，有自組織、自維護功能，以.大程度減少消費者的開支和維護成本。媒體接入控制層協(xié)議包括以下功能：設備間無線鏈路的建立、維護和取消；確認模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗；預留時隙管理；廣播信息管理。

2．3 ZigBee 技術的特點

ZigBee 技術的具有以下特點[5]：

① 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設備非常省電。據估算，ZigBee 備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2左右的使用時間，其功耗遠遠小于其它無線設備。

② 成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到115～215美元，并且ZigBee協(xié)議是免..費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

③ 時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應用。

④ 網絡容量大：一個星型結構的ZigBee網絡.多可以容納254個從設備和一個主設備，而且網絡組成靈活。

⑤ 可靠：采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避開了發(fā)送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發(fā)。

⑥ 安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

正是這些全新的特點，將使ZigBee技術將在無線數傳，無線傳感器網絡，無線實時定位，射頻識別，數字家庭，安全監(jiān)視，無線鍵盤，無線遙控器，無線抄表，汽車電子，ZigBee在礦山中的應用。

利用ZigBee無線網絡技術，實現井下人員的定位和各種安全生產要素以及井下環(huán)境（如瓦斯、溫度、濕度等環(huán)境指標）的無人自動采集。從而，在事故發(fā)生前，安全生產監(jiān)控中心，可以隨時掌握井下不同位置的各種安全生產的要素。從而采取積極有效的預防措施；事故發(fā)生后，可以掌握事故發(fā)生當時，甚至事故發(fā)生后相當一段時間內，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，從而制定及時有效的搶救措施，并實施有效的現場搶救指揮。

3．1 建立定位網絡

根據現場實際需要，沿坑道每隔一定距離（50-500米）在坑道頂部設置一個ZigBee網絡模塊（可采用電池驅動或使用其他電源），同時在其他需要定位和網絡連接的地方，也安置一個ZigBee網絡模塊；為了避免井下環(huán)境對無線信號的干擾，所有無線網絡模塊使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式，而且，每個模塊都有接收信號強弱指示功能（RSSI）。

所安置的網絡模塊將自動組成一個ZigBee通信網絡[6]，在布置網絡模塊的位置時，注意應使每個模塊至少可與兩個以上的模塊進行通信，即避免單線聯系以**ZigBee網絡通信的可靠性。這個通信網絡實際就是一個定位網絡，每一個網絡節(jié)點就是一個定位點，不同的是，ZigBee網絡節(jié)點體積要小得多，耗電也小，而且網絡節(jié)點之間的通信，不需要使用光纖或通信電纜連接。

3．2建立移動目標的無線身份碼

每一個需要定位的移動目標（例如礦工），都需要隨身攜帶一個無線身份卡，或固定在安全帽上的一個紐扣電池驅動的全封閉的模塊約（50x40x8mm）大小，每個模塊的發(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)射一個身份碼信號。為了避免井下環(huán)境對無線信號的干擾，所有無線身份卡模塊使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式；該無線身份模塊與瓦斯探測傳感器等相連，當出現瓦斯超標時，該無線模塊可以立即通過ZigBee網絡，將報警信號傳往監(jiān)控中心，必要時，將同時啟動其它聯動的應急設備；

3．3 移動目標位置的確定

當移動目標在不同的位置發(fā)射身份碼信號時，如果定位精度要求不高，坑道情況比較復雜時，人員密度較高時，則將任何一個接收到該移動目標身份碼信息的網絡節(jié)點位置，當作移動目標位置，這種方法往往需要較小的網絡節(jié)點間距（例如50米），和較小的無線身份模塊的發(fā)射功率。

當定位精度要求較高，坑道環(huán)境相對簡單時，則可使用兩點信號強度定位法；即當移動目標在不同的位置發(fā)射身份碼信號時，處于該移動目標兩端的網絡節(jié)點，因距該移動目標距離遠近的不同，所收到的信號強度也不同。ZigBee網絡將把該移動目標身份碼，以及在相應的兩個網絡節(jié)點接收到該身份碼時的信號強度傳往控制中心，通過簡單計算，再加上現場實測效正，很容易確定該移動目標的位置。

在使用以上方法定位時，為了進一步提高定位的準確性，還需要對網絡節(jié)點，移動目標節(jié)點收發(fā)機的接收靈敏度，和發(fā)射功率進行適當的調整。

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