基于ZigBee的井下人员安全监测系统

苗曙光，李淮江，李　峥，陈得宝，杨一军

(淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北　235000)

0　引言

目前，井下人员安全监测主要有两种方式：(1)基于RFID技术的人员考勤系统；(2)人员定位系统。很显然，通这两种方式我们能够记录人员入井和在井下的信息，但是无法知道人员的生命状况，一旦发生紧急情况(比如塌方，瓦斯爆炸等事故)不能够有效的利用有限的救援力量，去营救有生命体征的被困人员。针对原有系统存在的不足，文中提出了一种基于ZigBee技术和织物传感器的井下人员安全监测系统，该系统不仅能够实现对井下人员定位，还可以获取人员体征信息。一旦发生煤矿事故，救援人员通过钻孔，放置信标节点，利用本文提出的监测系统，建立与井下节点的通信，开始对被困矿工进行生命体征和位置监测，保障救援工作快速有序的展开[1]。

1　ZigBee无线织物传感器网络结构

文中设计的织物传感器网络结构如图1所示，网络包括3种节点，汇聚节点(Sink节点)，路由节点和普通采集节点。汇聚节点实现数据的汇集和协议转换；路由节点负责多跳传输和管理其他节点加入；普通节点完成对井下人员的体征和位置数据采集(通过测RSSI信号强度)。节点以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将织物和位置数据传到Sink节点，最终实现地面监控中心实施有效的监测井下人员的体征和位置信息[2]。

图1　无线织物传感器网络结构

1．1节点硬件设计

1．1．1织物传感器节点硬件设计

织物传感器节点由如下部分组成：CC2431、织物传感器及电路调理模块、电源管理模块以及超限报警模块等。系统结构如图2所示。

图2　织物传感器节点硬件框图

1．1．2微控制器单元选型

系统选用带有定位引擎的CC2431微控制器，这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。

1．1．3织物应变式传感器

织物应变传感器外观如下图3所示，外观是腰带状，便于人体穿戴，应变片单元固定在腰带内部[3]，使用时像腰带一样固定在人体腹部，能够方便的感受人体腹部随呼吸的张弛变化。

图3　织物应变传感器外观图

1．1．4传感器调理电路模块

CC2431控制器信号处理的基础是数字化信号。呼吸信号的数字化过程是把应变电阻的变化转换成模拟电压变化，转换成模拟电压，通过LM324比较器，把模拟电压信号转换成脉冲频率信号，通过CC2431的定时计数器直接计数得到呼吸频率数据。

1．2Sink节点硬件设计

Sink节点结构框图如图4所示，Sink节点包括传感器模块，处理器和定位引擎模块，存储单元，无线通信模块和CAN通信模块[4]。

图4　Sink节点

2　系统软件设计

软件设计包括普通采集节点的程序设计和汇聚节点的软件设计。以下给出了两种传感器节点的程序流程图和说明。

2．1织物传感器节点软件设计

织物传感器节点主要负责将采集呼吸频率数据和RSSI的值，并传送给路由节点。汇聚节点负责和路由节点交互通信，以及和上位机通信。当系统空闲时，网络转入休眠模式，实现低功耗。其程序流程图如图5所示。

图5　传感器节点程序流程图

3．2汇聚节点软件设计

汇聚节点相当于是网络的网关，它有两个主要功能，第一是建立网络；第二是实现Zigbee协议和CAN协议的转换，连接两种网络。汇聚节点程序流程如图6所示。

图6　Sink节点程序流程图

4　系统测试

在煤矿井下，无线电波在受限空间内传播，而且巷道内有许多金属障碍物、液压支架、皮带机、信号线等，这些因素都影响了无线信号在井下的传输情况[5]。针对这些情况，我们对2.4 G频率在井下的传输情况作了实验，实验地点是兖州某煤矿大巷。实验测试分为两个部分，对ZigBee节点的井下无线传输实验和对织物传感器工作特性测试[6]。

4．12.4G无线传输实验

通过在煤矿巷道测试，可以得到2个传感器节点RSSI变化和收包率如图7所示。

4．2织物传感器测试结果

通过对体征正常的人员进行测试，得到的织物传感器的输出变换特性曲线如下图8所示。

4．3实验结果分析

图7　实验RSSI和收包率与距离的关系图

图8　织物传感器输出特性曲线

通过图7可以看出，RSSI和收包率随距离的增大而减小。在20 m通信距离内，收包率能达到90%，RSSI值在-90 dBm，但30 m时已经减小到55%和-93 dBm，不能满足矿井通信的要求。在建立网络的时候，两个节点的距离应小于20 m，设计的节点距离设置为20 m．通过图8可以看出，织物传感器输出特性曲线能够反映井下人员呼吸变化的特征。实际测试表明，1 min时间人体的呼吸次数平均保持在18～20次，表明人体征信号正常。

5　结束语

煤矿井下是一个特殊的环境，灾难随时都会发生，因此建立一套方便灵活，覆盖面广的人员安全监控的网络十分必要。织物传感器具有柔韧性和易穿戴的特，ZigBee具有低速率，自组网，稳定性的技术优势，文中提出的安全监测系统是二者技术的结合。通过在矿井巷道中的实际测试，提出了ZigBee节点在巷道中的最佳通信距离。将ZigBee和织物传感器技术应用到矿井巷道监测系统中，不仅进一步加强了煤矿安全生产的能力，而且为煤矿信息化改造提供一种新的思路。

参考文献：

[1]马力，郭辉．基于ZigBee协议的煤矿井下智能传感器．仪表技术与传感器，2007(8)：66-68．

[2]ZHANG H R,YU J S D，LIU W．Study on Key Techniques for Multi-scale Expression of Laneway Traverse Data in MGIS．Journal of China University of Mining and Technology，2007，17(4)：508-512．

[3]衣卫京，陶肖明，王广峰，等．织物应变传感器的性能指标及评价方法．西安工程大学学报，2009(2)：75-80．

[4]李峥，苗曙光．ZigBee无线传感器网络在矿井巷道监测系统中的应用．仪表技术与传感器，2010(8)：57-59．

[5]孙继平．矿井无线传输的特点．煤矿设计，1999(4)：20-22．

[6]DING EJ，WANG M Y，WEN J C，et al．Performance Evaluation of 2．4GHz Wireless Sensor Nodes Transmission in Coal Mine．2009 WRI World Congress on Computer Science and Information Engineering，2009(2)：452-455．