煤矿井下Zigbee网络技术研究

鲍 超

（煤炭工业合肥设计研究院，安徽合肥 230041）

现代矿井的建设经过数十年的发展，煤矿信息化建设基本形成了以矿井综合自动化平台为核心，各个生产自动化系统和信息监测系统为分支的综合体系。在该体系中，各个子系统既相互独立，又融入矿井综合自动化平台，服从统一管理。在这种背景下，矿井信息自动化建设的重点在于提高子系统的信息化水平和矿井综合自动化平台的整合效率。

现有的井下监控系统，对传感器以及设备信息的采集主要依靠硬接线，存在着布线工作量巨大而且复杂、维护困难等缺点。近年来无线通信陆续应用到了部分井下系统，如井下的小灵通语音通话系统和人员定位系统等，而针对井下各类生产设备的监控和环境安全的监控，采用无线通信方式进行构建的监控系统基本处于试验阶段，主要困难有：① 用于地面通信的无线传输设备在井下巷道的特定环境里性能明显下降；② 常规无线传输设备为了满足井下无线覆盖的需要在投资上过于高昂；③ 缺少针对井下特殊环境里无线设备使用的分析，使得在设计无线网络的过程中难以有针对性地选取无线网络设备。

本文采用相应的技术，并结合长期矿井电气系统设计经验，完成了对矿井井下Zigbee网络的技术分析工作。

1 Zigbee技术

ZigBee技术作为一种新兴的短距离无线通信技术，是基于IEEE 802.15.4标准的应用于无线监测与控制的全球性无线通信标准，强调简单易用、近距离、低速率、低功耗（长电池寿命）且极廉价的市场定位［1］。

1.1 Zigbee技术与工业总线技术投资比较

现在矿井井下信息传输的方式主要为：主干信息网采用工业以太网络光纤，子系统采用工业总线。工业总线速度快，但是线路成本、施工成本和维护成本很高。以一个包含10个监测点，长度为3 km的监控系统为例，工业总线需30台中继器，硬件设备总投资31.5万元，而Zigbee技术仅需10台中继器，投资额度仅为5万元。

1.2 Zigbee、蓝牙、WiFi技术的主要指标比较

在井下无线网络技术的发展过程中，同Zigbee技术类似适合作为矿井井下无线通信的技术主要还有蓝牙技术和WiFi技术，Zigbee、蓝牙、WiFi技术的主要指标比较见表1所列。

表1 Zigbee、蓝牙、WiFi技术的主要指标比较

由以上分析可知，Zigbee技术相对于蓝牙技术和WiFi技术来说，在系统构成和设备投资上具备优势，更适合用于矿井井下无线网络的建设。

2 Zigbee网络拓扑

2.1 Zigbee网络结构

任何一个Zigbee网络都是以网络协调器为核心向外扩散构成网络链路的，网络协调器和网络具有控制功能的节点必须采用全功能设备（Full Functional Device，简称FFD）。网络的结构可以是简单的星型，也可以是网型或者多簇的结构。

当一个FFD设备第1次被激活后，就会建立一个自身的网络，并成为网络协调器。所有星型网络的操作独立于当前其他星型网络的操作，因此一旦选定了一个网络标识符，网络协调器就会允许其他设备加入到它的网络中，无论是FFD设备，还是精简功能设备（Reduced Function Device，简称RFD）都可以加入到这个网络中。

对于多簇网络，网络协调器是唯一的，网络协调器与多个簇头构成网型网络，簇头与簇头之间形成对等网络关系，不但允许簇头与网络协调器通信，而且允许簇头之间相互通信；网络协调器起到统一调配网络资源的作用，合理分配网络信道和链路使用方式，减小网络开销，提高网络性能。

2.2 煤矿井下的Zigbee网络拓扑分析

在构造井下Zigbee网络时，本文需要考虑与矿井设立在井下的其他通信平台的配合，煤矿井下一般按照各级变电所分为很多区域，这个区域的范围一般为1～2 km，设计Zigbee网络时可以依照该地理区域划分，按照一个区域一个网络考虑，理由如下：

（1）变电所的配电范围在2 km以内，煤矿井下在该范围内每隔500 m建一个基站（巷道分叉点和转折点均设基站），数量不会超过20个，适合一个独立的Zigbee网络的节点容量。

（2）一个Zigbee网络中有唯一的网络控制器，对于井下监控网络来说，不但需要负担网络内各节点的通信协调，还需要将数据上传至矿井综合自动化平台中，这需要网络控制器与就近的井下光纤交换机连接，每个变电所内即配有交换机，方便每个Zigbee网络的数据集中上传。

（3）Zigbee网络的监控数据上传至综合自动化平台后需要与其他系统数据进行整合，由于井下其他系统的数据上传也需要通过工业以太网，即均先需要集中至变电所交换机，所以进行数据整合时按照变电所区域为单位更为合理，能有机地、直观地表现一个相对独立的工业运行环境的各个方面。

综上所述，考虑到一个区域的Zigbee网络是以变电所为核心向外扩散的形式，井下监控系统采用多簇型网络结构能更有效地配合现场环境。

3 煤矿井下Zigbee网络参数分析及选择

实际的Zigbee产品将微处理器和RF收发器甚至大容量存储器均集成在一块芯片上，典型的产品如CC2420／30；以CC2430－F128为例，集成了高速8051内核，Zigbee RF硬件部分，8 K SRAM，128 K／64 K／32 K闪存。利用Zigbee模块化构造，可以方便地采用外设不同的晶振和发射电路来达到希望的传输性能。

3.1 煤矿井下环境对通信过程的影响

井下环境的信道特征直接影响了监控网络工程投资的额度和系统的可靠程度。从系统构成上，为了保证可靠的通信，在监控网络设计时需要综合考虑频段、发射功率、天线极化、巷道形状和井下粉尘水汽等对传输衰减的影响。

设简单通信系统发射机功率为P1，接收机功率为P2，最大通信距离为d，发射天线增益G1，接收天线增益G2，衰减系数α，则有：

在矿井井下的应用环境中，无线电波传输衰减与巷道形状、井下粉尘、潮湿水汽以及选择的天线极化形式均有关系。

3.1.1 巷道形状对无线传输的影响

对一个拱形巷道来说，可以设拱形半径为r，高为h，巷道内介质的介电常数为ε0，巷道壁介质的介电常数为ε1。考虑到巷道内介质（即为空气），可以直接引入相对介电常数ε＝ε1／ε0。

采取水平极化EH11波传输时，电磁波传播时的衰减常数αH的近似计算［2］为：

而采取垂直极化EV11波传输时，电磁波传播时的衰减常数αV的近似计算［2］为：

参照井下巷道参数，取r＝1.5 m，h＝1.0 m，ε＝10可以得出，对于同一载波而言，采用水平极化EH11波传输与采取垂直极化EV11波传输产生的衰减之比为αH／αV＝0.15。显然，在井下巷道中，载波采用水平极化EH11波传输时的损失比采用垂直极化EV11波传输时小一个数量级。

3.1.2 井下粉尘对无线传输的影响

在矿井井下，巷道内充斥着浮游的粉尘粒径为0.25～10μm，但是，其中80%～90%的矿尘为呼吸性粉尘，其粒径的大小在5μm以下［3］。当通信电磁波频率在UHF频段时，以频率ν＝1 000 MHz的载波为例，由λ＝C／ν得出波长λ＝ 0.33 m。可见井下粉尘颗粒尺寸相对于高频载波波长来说可以忽略，不会引起明显的折射，但是粉尘浓度的变化可以引起电磁波的散射。根据国家有关矿井规范，井下有人工作的地点和人行道的空气中游离SiO2摩尔分数在10%以上的总尘质量浓度不得超过6 mg／m3，呼吸性粉尘质量浓度不得超过2.5 mg／m3；含游离SiO2小于10%时，ρ总尘≤10 mg／m3，ρ呼吸性粉尘≤3.5 mg／m3。在高质量浓度粉尘环境下，1 000 MHz电磁波的散射衰减仅为2.8×10－4dB左右，基本可以忽略。

3.1.3 潮湿环境对无线传输的影响

井下巷道一般位于地下600 m以下，之上有多个含水层，除井底车场和周边其他大部分巷道岩壁终年湿润，由于井下强制通风，空气湿度不大，潮湿的巷道岩壁会改变本身的电导率。根据试验数据，干燥的岩壁电导率σ＝0.001 s／m，而潮湿的岩壁电导率σ′＝0.01 s／m，减小10倍［4］。但潮湿会增加岩壁的相对电容率，同等条件下，干燥的岩壁电容率K1＝5，潮湿情况下岩壁电容率K2＝10。综合潮湿环境下的参数改变，由电导率减小导致的衰减降低了1.022%，但是由电容率增加导致的衰减增加却有11.82%［4］。因此可以估算出由于潮湿导致的衰减增加约10%。

3.2 煤矿井下Zigbee网络频率的选择

井下Zigbee网络的参数分析主要针对通信的频率和设备的无线发射功率。在分析过程中，需要考虑井下Zigbee网络的应用对象对无线网络性能的要求，主要为：选择能够保证监测对象数据传输的通信速率；选择狭小空间内能够远距离传输的通信频率和发射功率，同时满足井下设备的电气防爆要求。

Zigbee网络允许的3种频段分别为2.4 GHz、868 MHz和915 MHz。根据距离计算式，选择915 MHz频段在理论上传输距离优于2.4 GHz频段，有利于减少基站的布置数量，但需要综合考虑系统对通信速率的要求。915 MHz频段通信只能达到40 kb／s的速度（合5 k B／s），而2.4 GHz频段通信能达到250 kb／s的速度（合40 k B／s）。为了合理选择频段，需要考察井下Zigbee网络所传送的信息量，对于井下环境监测系统来说，温度传感器、湿度传感器、粉尘传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、瓦斯传感器是必要的。对于一套典型的传感器，采集处理后形成的数据可以是16位带符号数或者32位浮点数，考虑采用占用bit数较多的32位浮点数的情况，每个数据使用16 bit，即2字节，1组6个传感器在一个采集周期内需要上传12个字节的数据，考虑其他可能传输的信息，可估计每个采集周期由PLC采集的信息量有20个字节。人员定位信息主要为矿工随身携带的RFID识别卡的地址登记信息，作为网络登记的地址信息占用16 bit，即2字节长度。每个采集点在一个随机时刻按照15个识别卡登记，信息量有30个字节。

本文信息传输涉及的2种协议分别为Zigbee网络传输的IEEE802.15.4协议和PLC处理数据时采用的工业总线协议，以西门子系列产品为例，一般为Profibus－DP协议。Profibus－DP协议数据报文［5］中除DATA（数据单位）外，还含有SD（起始定界符）、FC（功能代码）、LE（数据长度）、LER（重复数据长度）、DA（目的地址）、SA（源地址）、DSAP（目的服务存取点信息）、SSAP（源服务存取点）、FCS（校验位）、ED（终止定界符），总共不超过15个字节，加上数据长度30个字节，信息量共45个字节。可以预估每次由PLC发出的信息量总共可以控制在50个字节以内。

对于Zigbee网络传输的IEEE802.15.4协议来说，文献［1］可简化为4类帧：Beacon帧（信标帧）、Data帧（数据）、确认帧、MAC帧（控制帧）。本文用一个Zigbee数据包传送一个采集点的传感器和人员定位信息，数据包内容如图1所示。

图1 Zigbee数据包

实际传输中，由于信息量的变化，传感器信息和人员定位甚至其他接入Zigbee网络的系统信息均可以分包传输，是否能够有效传输主要取决于信息量。如果采用915 MHz频段通信，网络速度最大为5 k B／s，即每秒可以传输5 k字节的数据包，理论可以处理的节点数n＝40个，则每个数据包传输消耗的时间t1＝25 ms。

在实际通信中还需要考虑网络中不同节点向上传输的时隙，即上一次节点间通信完成和下一次节点间通信开始之间的时间间隔：Zigbee网络设备信道接入时延t2＝15 ms。

由此可知，在一个区域内每个节点只向核心位置的网络控制器传输1个数据包的情况下，理论上可以支持的节点数N＝［1 000／（25＋15）］＝25个，再考虑由于环境因素随机产生的更多的响应延迟，每个区域能支持的节点数难以超过20个。以上分析说明采用915 MHz频段通信时，网络系统容量受到限制，除非其在传输距离性能上能够大大优于2.4 GHz频段，以减少基站的建设费用，否则难以在综合效能上胜出。对于2.4 GHz频段来说，网络可以支持最大40 kB／s，即每秒可以传输40 k字节的数据包，由以上分析可知，每个数据包传输消耗的时间为3.1 ms。在一个区域内每个节点只向核心位置的网络控制器传输1个数据包的情况下，理论上可以支持的节点数N＝55个。再考虑由于环境因素随机产生的更多的响应延迟，每个区域能支持的节点数约为50个。

以上情况为一个区域内每个节点只向核心位置的网络控制器传输1个数据包。实际情况中可能需要传输的数据更多，但是可以简单地估计为：在一个固定区域的Zigbee网络内采用2.4 GHz频段的通信量是915 MHz频段的2.5倍。

3.3 井下Zigbee网络发射电路参数和传输距离

Zigbee网络设备的传输受发射频率、发射电路的电压和电流及天线的极化模式的影响。发射频率只有915 MHz频段或2.4 GHz频段可选择，相对固定。天线采用水平极化模式可以达到最佳的传输效果。对于目前广泛使用的Zigbee产品来说，额定电压基本固定，所以决定发射功率的主要因素是集成电路中供给发射电路的电流，而限制电流的首要条件必须符合国家对煤矿产品在井下使用的防爆等级的要求。

3.3.1 无线发射电路参数分析

矿井中，主要爆炸危险是甲烷和一氧化碳，甲烷－空气混合物作为Ⅰ类防爆对象，爆炸体积分数仅为（8.3±0.3）%，最小点燃能量为0.28 mJ［6］，最小点燃能量与设备产生的热损耗无关，主要针对能够引起静电火花的能量。矿井中的电气防爆等级要求按照防爆以甲烷－空气混合物为准的Ⅰ类考虑。到目前为止，对防爆设备基本只采用IEC试验装置进行检测，该装置对Ⅰ类（煤矿电气）设备的试验标定参数为24 V，直流电流110 m A。IEC装置以最小点燃能量为依据，对设备的本质安全性能进行检验。检测电路本质安全性能的能量判别式［7］为：

其中，Wg为临界引爆能量；α为最小点燃能量的考虑系数，一般为2.65～3.00，对于甲烷等物质，可直接取α＝2.80；Wmin为国家标准中最小点燃能量，对于甲烷 －空气混和物（Ⅰ类），取Wmin＝ 0.28 mJ。由此得出临界爆炸能量Wgmax＝ 0.784 mJ，所以要求本质安全电路的能量Wg＜Wgmax。

随着研究的深入可发现，很小的火花却能造成爆炸气体的引燃，而较大的火花却不一定能引燃同样的气体，由此，现在的防爆判定在最小点燃能量的基础上发展了功率判别法。实验证明，采用功率判别法对本质安全电路的检测不但能满足能量判别法的判别要求，而且能够对很多能量判定合格却在实验中不合格的情况进行准确判断。检测电路本质安全性能的功率判别式［7］为：

其中，Wmin为国标中最小点燃能量；Pmax为临界条件下放电电弧功率；τ为电路的时间常数，对于一个电感为L，电阻为R的电路，τ＝L／R；δ为比例系数，仅与电路电源电压有关，其定义式为：

其中，E为电路电源电动势；Varcmin为电路最小起弧电压，虽然受很多随机因素影响，但变化不大，由统计的结果可以直接取Varcmin＝16 V。由（6）式可以得出，电路电源电压越高，δ越小，相应的临界功率越小。对于电源电压E＝24 V的发射电路，可以得出δ＝0.556。

按照IEC试验装置的检测电路的标定参数，取时间常数τ＝0.436 ms，则对于Ⅰ类本质安全电路，可计算出临界功率为Pmax＝127.4 m W。相应地对于同电压等级的本质安全电路的功率Pg，要求Pg＜Wgmax。

Zigbee无线通信设备在发射电路部分为容感混合电路性质，可以参考混合电路放电模型，发射电路属于振荡闭合电路，电感对混合电路闭合时放电电流起抑制作用，所以采用以上判别式可以有效保证选取的Zigbee无线发射装置的本质安全性能。

3.3.2 传输距离分析

（1）式作为自由空间电磁波传播分析的距离判别式是有效的，但对于煤矿井下巷道环境，需加入相应的干扰因素，IEEE组织根据802.15.4a信道的特点，建立了适用于UWB（2～10 GHz）和100～1 000 MHz的信道损耗模型［8］为：

其中，P1为发射机功率；P2为接收机功率；G1为发射天线增益；G2为接收天线增益；d为发射机与接收机之间的距离；Aant为天线衰减因子；n为距离损耗修正系数；k为频率修正系数；d0为标准参考距离，为1 m；fc作为参考中心频率，为5 GHz（针对UWB 2～10 GHz频段）、500 MHz（针对100～1 000 MHz频段）；P0为标准参考距离下的通信损耗；S为损耗计算的标准方差。

（7）式中功率采用国际标准单位W／m W，但是通常标定通信设备参数的单位采用dB／dBm，为了方便起见，对（2）式进行对数变换［8－9］，得出：

如果不考虑信道的余量，可以转化为最大传输距离dmax的表达式［8－9］为：

IEEE组织对不同环境下802.15.4a信道的各项修正因子的数据进行了标定，本文可以根据煤矿井下特点合理选择修正因子。由于煤矿井下巷道为平直有限空间，而且采用通信定向天线，可以认为是在有限无遮挡空间内的定向传输，根据中国矿业大学对煤矿拱形巷道电磁波传播的研究，当电磁波频率达到1 GHz以上时，不同巷道半径下的传输衰减率均趋向于自由空间，由此可以选择n＝176，k＝－5.6，S＝－6，Aant＝－3，P0＝－43.29［8－9］。

根据以上模型选取的参数，可以估算在矿井井下的Zigbee设备分别采用915 MHz频段和2.4 GHz频段通信的有效通信距离。

参考之前对煤矿井下允许的具备Ⅰ类本质安全要求的无线电路的分析，本文假设发射功率P1＝10 dBm，接收机灵敏度为P2＝－110 dBm。

在定向发射／接收天线增益G1＝G2＝0 dBi时，代入（9）式得出有效传输距离302 m。在定向发射／接收天线增益G1＝G2＝10 dBi时，可以得出有效传输距离3 981 m。

以上分析说明加装了具有一定增益的定向天线后，采用915 MHz频段传输时的距离大大提高，可以保证在1 000 m直线巷道内的最大速度传输。

取发射功率P1＝10 d Bm，接收机灵敏度为P2＝－110 d Bm，在定向发射／接收天线增益G1＝G2＝0 dBi时，可以得出有效传输距离为。在定向发射／接收天线增益G1＝G2＝10 d Bi时，可以得出有效传输距离1 995.3 m。

以上分析表明，Zigbee网络设备各单元功率只需要达到煤矿井下Ⅰ类本质安全电路的限制功率的1／2，就完全可以满足工业级别的距离传输要求。在实际应用中，采用2.4 GHz传输时，加装定向天线后，可以保证在500 m直线巷道内的最大速度传输。

综合比较915 MHz频段与2.4 GHz频段的性能，采用915 MHz频段传输只是在传输距离上优于2.4 GHz频段，而在信道和传输速度上大大落后。Zigbee网络在一个1 km2的区域中需要布置的节点，估算采用915 MHz频段时需要12个，而采用2.4 GHz频段时需要15个。这种节点数量的差别并不明显，而Zigbee网络的传输效率差别将非常明显，综合考虑，在设计井下Zigbee网络时，拟选用2.4 GHz频段传输。

3.4 煤矿井下Zigbee网络信道余量

在Zigbee网络的设计中需要考虑信道的余量，首先依据市场上现有的2.4 GHz的Zigbee组件建立一个模型。现在市面上的Zigbee设备的接收灵敏度可以达到－100～－119 dBm，模型中可选取接收灵敏度为－100 dBm。

根据煤矿井下Ⅰ类爆炸环境对井下电气的本质安全要求分析，无线发射电路的功率Pg＜Wgmax，可以取RF功率为100 mW，即20 dBm，天线增益为10 d Bi，传输距离为500 m。由之前的分析可选择水平极化EV11波进行500 m巷道的衰减常数近似计算，巷道参数取r＝1.5 m，h＝ 1.0 m，ε＝10，对于2.4 GHz电磁波，波长λ＝ 0.125 m，衰减率［2］为α＝0.036 6 d B／m，可以估算出500 m的衰减为P500＝18.3 dB。考虑巷道壁潮湿情况下衰减率增加10%，500 m距离的衰减约为22 dB。再计入发射时的损耗约2 dB［10］，可以估算出接收电平RSL＝16 d Bm。

而对于2.4 GHz的电磁波在直巷道内传播的传播损耗可以近似为无障碍空间传播损耗［8］，传播损耗为89.8 dB，可以得出信道的余量为26.2 d B。

当Zigbee网络以250 kb／s传输时，能被实际利用的速度约为100 kb／s，合12.5 k B／s；而每个采集节点所需要传输的传感器以及人员定位的信息约80个字节，按最大20个节点计算，信息量为1 600个字节，合1.56 k字节，则剩余信息量为10.9 k字节，可知有效信息传输余量约为10 k字节，说明网络有足够的信息传输余量，可以考虑兼容其他信息的传输。

4 结束语

本文介绍了现在流行的Zigbee技术的各项性能，论证了将Zigbee技术应用于矿井井下生产的可行性，并分析了矿井井下监控应用的需求，确定了井下Zigbee监控网络的构成方案；分析了井下环境因素（巷道的形状和走向、井下粉尘、湿气）等对Zigbee无线传播的影响以及监控数据量的需求，在此基础上确定了井下无线监控网络的主要技术参数以及节点设备构成。Zigbee技术通常用来构造一个低速的无线传输平台，在该平台上实现所需要的系统功能不仅需要依靠其他领域的工程信息化设备，而且需要通过功能强大的软件实现用户的可运用终端。

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