煤矿井下应急救援无线通信系统设计与实现

李军

(陕西国防工业职业技术学院， 电子信息学院， 陕西， 西安 710300)

0 引言

随着国家经济的不断发展，人类对煤炭的需求量正在逐年上升，每年因煤矿塌方造成的重大事故正在频繁发生，因此，国家对于煤炭开采的安全问题十分重视，国家为实现安全且高效的煤炭开采作出重大举措。由于煤矿井下环境恶劣且地形十分复杂，易造成事故的发生，为保证工作人员的安全，将建立应急救援队伍，设计煤矿井下应急救援无线通信系统，为有效开展应急救援工作提供了强有力的帮助，具有重要意义。

1 煤矿井下应急救援现状及问题分析

1.1 煤矿井下应急救援现状

根据相关统计数据表明，我国当前应急救援队伍的人数正在逐年上涨，随着煤矿灾变的类型不断改变，人员伤亡以及经济损失同步上涨，目前，为改变这一现状，我国政府将为应急救援队伍提供相应的救援设备，并且随着救援技术的不断创新，在极大程度上降低了应急救援队伍的工作强度，有利于促进我国的救援效率，从而挽救煤矿工人的生命以及减少经济上损失，防止灾害事故向着不可逆转的方向发展。应急救援队伍在救援过程中需要极强的通讯信号与地面进行沟通，强大的通信设备有利于工作人员对井下事故进行精准定位，促进工作效率的同时，强化救援队伍的开展情况[1]。

1.2 煤矿井下应急救援问题分析

我国当前的煤矿井下应急救援系统仍存在多种问题，其灾害多发的主要原因有多方面因素，主要包括工作人员对于应急救援方案的预测不合理或者不完善，造成事故发生后应急救援队伍不能在第一时间实施救援，导致事故的进一步扩大，除此之外，应急救援队伍的指挥中心在事故发生时未能在此次救援工作中起到主导地位，此种作用力将造成救援队伍的工作范围较广，具有一定的盲目性。在众多影响因素之中应急通信系统的不完善处于核心因素，应急通信系统的不完善造成救援队伍无法对事故地点进行精准定位，系统上传信息较慢限制救援队伍工作的高效开展，并且，当前的应急通信系统故障率颇高，极易受外界因素的影响，从而造成系统的短路现象，该现象不仅增加了检修维护成本，还在极大程度上浪费人力物力，为此本文将针对该项技术难题，增加了ZigBee技术，通过该项技术设计的无线通信系统将在极大程度上攻克这一难题。

2 ZigBee无线通信系统设计

2.1 无线通信系统结构

ZigBee无线通信系统的结构主要由分为三方面，分别是地面监控系统、井下信息接收系统以及井下信息传输系统，三大结构相辅相成，形成庞大的ZigBee无线通信系统，其中地面监控系统在该通信系统中的主要作用是通过在上位机内安装监视软件以及扩音器，有利于收集井下救援人员的工作画面，并实时显示，维持救援人员与地面工作人员的有效沟通。而井下信息接收系统具有一定的录像功能，可以将井下工作人员录制的影像上传至地面，实现可视化定位，并具有精准的对话功能，有利于救援任务的顺利进行。井下信息传输系统的核心功能主要依靠PLC控制器进行信号接收并处理，PLC控制器的应用可以将无线网络交换站建立于地下，当事故发生时，应急救援人员可在通信系统被破坏的情况下，重新建立通信系统，有利于应急救援人员在第一时间携带救援设备进入事故发生地带实施精准救援，除此之外，当井下未发生事故时，PLC控制器可作为该工作的支架顶梁，具有重要作用[2]。

2.2 ZigBee无线通信系统工作原理

ZigBee无线通信系统的主要工作原理是通过PLC控制器与通信系统的相互协作，将数据信息上传至指挥中心主机系统，该技术的应用可将人员的具体位置、数量以及人员位置移动的情况精准上传至主机系统显示器，有利于救援人员及时进行相关救援工作。当煤矿井下发生重大事故时，地面工作人员可以根据被困人员通过定位仪传出的求救信号进行相关操作，生成的数据信息将通过工业千兆以太网上传至指挥中心，并通过可视化定位仪进行影像录制与呼叫，指挥中心可以通过接收的影像信息高效开展救援指挥工作。

3 井下救援系统的相关技术及总体方案

3.1 工业现场总线技术

工业现场总线技术是近几年新兴的基于数字式的串行通信技术，主要以微控制器作为该技术的核心部分，具有一定的容纳性以及灵敏的活动性和强大的稳定性等优势，可以随着环境的变化而做出适当改变，并且CAN总线技术的应用实现全自动化发展，将用于各大工业领域。除此之外，当井下救援系统在信息传输过程中发生碰撞时，CAN总线技术将通过碰撞等级采取非破坏性仲裁技术进行优先发送，为保证因CAN总线节点自身出现的问题而导致系统不能正常使用，CAN总线节点将自动关闭该功能，从而达到其他节点不受影响的目的，将其应用于井下救援系统有利于井下通信系统的长远发展[3]。

3.2 短距离无线通信技术

随着科技的不断发展，短距离无线通信技术正处于不断进步的过程中，其中ZigBee无线通信技术凭借自身优越的协议分层结构成为短距离无线通信技术中的核心组成，ZigBee无线通信技术不同于其他网络通信技术的结构，具有层级划分的优势，将网络通信各个层级之间的关系形成独立且相互关联的复合形式。由于ZigBee无线通信技术具有可以针对网络环境变化进行自动组织，维持系统正常运行等优势，将在一定程度上改变传统通信技术远距离、高消耗、高速率、高成本以及复杂程度高的劣势，成为煤矿井下应急救援无线通信系统的核心技术。

3.3 井下救援系统的需求分析及方案设计

基于ZigBee无线通信技术的煤矿井下应急救援无线通信系统可以通过矿难发生的重大程度，迅速建立应急救援工作，将CAN总线技术与ZigBee无线通信技术充分结合，构成强大且稳定的网络分布站，由于井下环境狭窄且复杂，造成应急救援队伍不能迅速建立通信线路，因此，将ZigBee无线通信技术作为环境参数进行节点采集，形成延伸排布，有利于网络路由器进行容量扩展，地面指挥中心可以通过节点信息以及RSSI算法获取人员位置信息进行救援。为保证井下救援系统的顺利开展，将针对通信分站、ZigBee无线通信终端采集节点以及系统防爆装置进行设计，其中通信分站将作为井下救援系统的核心环节，通过通信分站可以实现井下与地面指挥中心的实时通信，通信分站主要采用将CAN总线与以太网相结合的新型通信方式，并将生成的数据上传至上位机，实现协议间的转化，井下通信分站系统结构框图如图1所示，为保证分站系统的性能优势，本文将采用STM32F103RC作为该系统的主控制器，为开发人员提供了巨大便利。ZigBee无线通信终端采集节点部分将由FFD和RFD进行人员定位，FFD和RFD将利用自身优势将生成的数据信息上传至协调器节点，ZigBee节点可通过声光报警系统分析事故等级，促进系统的稳定性，为排除井下复杂环境对系统造成的影响，传感器的选择至关重要，防止爆炸的发生，终端参数采集节点如图2所示。煤矿井下环境恶劣，属于高危场所，因此进行井下作业的危险系数极高，为避免人员以及经济损害，所有的电路装置应进行防爆处理，为达到防爆要求，本文将针对隔爆外壳进行系统分析，最终选中ZL104铝合金作为隔爆外壳的主要组成成分，该合金符合国家安全防爆标准，具有一定的防破坏能力。

图1 井下通信分站系统结构框图

图2 终端参数采集节点

4 煤矿井下应急救援无线通信系统硬件电路设计

4.1 ZigBee无线通信技术性能分析

井下无线通信模块将采用ZigBee芯片作为作为该模块的核心芯片，利用该芯片内的CC2530进行井下通信数据的传输与处理，CC2530芯片自身具有2.4 GHz的频段射频收发器，通过CC2530芯片可以实现数据的实时传送。ZigBee无线通信系统内部主要包含CC2530核心芯片，除此之外，还包含ZigBee协调器，该协调器在系统中充当管理者角色，可通过RF进行数据传输至上位机，并指令FFD对网络进行整体协调，使其与路由器具有相同的功能。

4.2 井下环境参数采集电路设计

煤矿井下环境极其恶劣，空气当中的主要成分为甲烷，也就是瓦斯爆炸气体中的重要组成成分，该气体无色无味，爆炸范围极大，为保证井下工作人员的安全，监测系统应在空气中的甲烷气体含量大于2%时发出警报，提示工作人员迅速撤离当前环境，除此之外，该系统将建立瓦斯浓度采集模块，检测可燃气体，当可燃气体接触检测元件时，电桥的输出电压将与气体浓度成正比例关系变化，经研究表明瓦斯传感器内进入可燃气体时，电桥处于失衡状态，此时应采取恒压源进行供电，采用恒压源进行供电时，输出不平衡电压为

U=(Rd+ΔRd)E/(Rc+Rd+ΔRd)-E/2

(1)

则有

U=ΔRdE/2R≈KΔRd

(2)

由上述公式可知，输出电压信号与瓦斯浓度呈线性输出，在理想状态下，二者将以正比例关系共存。

除此之外，本文将对氧气、一氧化碳以及温度等浓度数据采集后形成电路，其中氧气浓度采集电路将选用ME3-O2本质安全型氧气浓度传感器，该电路将遵循法拉第定律对电流进行检测，而一氧化碳浓度采集电路将选用ME3-CO本质安全型一氧化碳气体浓度传感器进行电化学工作，通过将化学能转化成电能的方式使采集电路输出持续电流，从而监测气体浓度，并通过处理器进行报警处理。温度采集电路中的传感器部分将由DS18B20作为核心传感器，DS18B20相对于其他型号传感器，具有较强的抗干扰能力，可以有效排除环境等恶劣因素造成的干扰，为工作人员提供较适宜的环境温度，有利于工作效率的提高，当温度较高时，报警系统将采取措施提醒工作人员迅速撤离，指挥中心将根据现象迅速采取相应的应急方案[4]。

4.3 人员位置信息采集模块

为保证工作人员在井下的安全，本文将通过ZigBee路由器将数据信息上传至参考节点，实现无线通信，并使工作人员携带移动节点，从而对工作人员进行定位，有利于系统掌握工作人员的位置信息。通过将ZigBee标签的数据信息经过ZigBee节点传输至ZigBee定位网络，形成的距离经过三边定位算法形成位置坐标，为避免干扰源对距离造成影响，将建立信号与传播距离之间的关系式：

PL(d)=PL(d0)-10nlg(d/d0)+Xp

(3)

其中,d0表示固定节点到移动节点的参考距离，d表示测量过程中的实际距离，n表示信号衰减系数，PL(d)表示距离移动节点d处的信号强度，XP表示均值为0、方差为P的高斯随机噪声变量。

通过实际使用得知，该公式可以进一步简化，经过简化后形成的模型：

PL(d)=PL(d0)-10nlg(d/d0)

(4)

此时d0的数值为1m时，使Q=PL(d0)，将其带入式(4)将得到新的RSSI测距公式：

d=10(Q-RSSI)/10n

(5)

4.4 煤矿安全监测模块设计

在煤矿井下应急救援无线通信系统中维持各级电路的安全性能至关重要，在煤矿安全监测模块中主要包含报警装置界面电路以及电源稳压电路，其中报警装置将作为煤矿安全监测模块的核心，该装置中的检测元件将针对环境参数进行检测，当环境参数超出阈值，系统将自动采取声光报警功能，提示工作人员迅速撤离。电源稳压电路模块的核心功能是降低终端节点的能源消耗，充分供应系统的能源使用量，维持网络系统的稳定性，防止因网络故障而造成的事故损害。

5 煤矿井下应急救援无线通信系统软件电路设计

5.1 ZigBee协调器网络的创建

ZigBee协调器将在由大量ZigBee节点与网络链路形成的无线网络中充当管理者，ZigBee协调器创建网络的流程如图3所示，通过无线网络节点对无线网络进行建立，建立成功后由ZigBee协调器将数据上传至通信分站，经过通信分站整合的数据将通过以太网上传至上位机，最终建立完整的ZigBee协调器网络，该网络的成功建立可将节点初始化，并在监测区域内检测无线网络信标，将检测到的无线网络信标与PAN进行对比，若相同，允许设备入网，并分配相应的地址信息，若不同，协调器将拒绝设备加入无线网[5]。

图3 ZigBee协调器创建网络的流程

5.2 井下甲烷浓度采集流程

井下空气中主要成分为甲烷，本文针对该气体进行传感器设置，并将其作为终端节点的代表，生成的环境参数数据信息将作为报警装置的重要组成部分，在该装置中加入ZigBee协调器网络通信装置，将在极大程度上降低终端节点的电量消耗，甲烷采集程序流程图如图4所示，该程序采用CC2530芯片内置的ADC转换器针对数据进行转换，通过微处理器将甲烷浓度设定数值，当检测元件检测到的甲烷浓度超过阈值，蜂鸣器自动报警，并将数据信息通过以太网上传至通信分站，数据传输完毕，重新恢复休眠状态。

图4 甲烷采集程序流程图

6 煤矿井下应急救援无线通信系统功能测试与实验

6.1 节点系统功能测试

为保证煤矿井下应急救援无线通信系统能够正常运行，将对其进行功能测试，测试前，将装置连接完毕，并使节点通过RS232转串口工具与主机进行连接，能源供给装置安装完毕后，打开上位机对数据信息进行采集并传输，测试证明温度与湿度无明显变化。为保证工作人员的安全，将针对报警功能进行测试，测试前将上位机中的温度报警装置阈值进行设置，设置成功后，使温度上升至阈值之上，若报警记录中将该数据进行记录，表明报警功能正常。经过测试表明该装置的各部分功能均正常，可以正常运行。

6.2 灾变模拟通信试验

煤矿井下发生事故后将造成井下塌方，该现象将造成原本安装完毕的无线通信线路出现损坏，此时指挥中心接收的数据信息将受到影响，因此，本次测试将针对节点被覆盖后的丢包率进行实验，实验结果表明，被覆盖的的节点数目与丢包成正比例关系，随着系统的运行，数据信息将成递增趋势发展，因此，减少丢包率的方式不能有效解决根本问题，应采用适当机制达到高效传输的目的。

7 总结

本文基于ZigBee技术建立的无线通信系统经过测试证明其应用效果较好，煤矿井下应急救援无线通信系统的广泛应用将在极大程度上提高应急救援队伍的救援效率，减少人员伤亡以及经济上的损害程度，该系统针对环境中的可燃气体进行监测分析，根据环境参数的变化采取不同措施进行报警处理，通过本次测试得知，煤矿井下应急救援无线通信系统满足设计的功能要求，在接下来的研究中，将重点针对传输机制进行研究，弥补不足之处。