[发明专利]一种基于ZigBee网络节点的井下监控网络系统

说明书

技术领域

本发明属于煤矿井下安全监测技术领域，具体涉及一种基于ZigBee网络节点的井下监控网络系统。

背景技术

煤炭作为我国的基本能源和重要原料，在国民经济中占有极其重要的战略地位。在我国的能源结构中，煤炭占我国一次性能源生产和消费结构中的70％左右，预计到2050年仍将占50％以上。因此，在相当长的时期内煤炭仍将是我国的主要能源，以煤炭为主的能源结构在短期内将难以改变。

近来，随着对煤炭需求量的增大，我国煤矿事故又有攀升趋势，煤矿安全状况令人担忧。我国煤矿安全信息技术的网络化程度不高，井下安全信息不能及时传送到井上安全生产控制中心，是导致煤矿事故频发的重要原因之一。我国现有的煤矿安全信息系统大多是通过有线网络建立的，随着煤矿开采的日益变化，煤矿井下的物理结构日新月异地改变着，原先设计好的有线网络传输系统很难做到完全的监控覆盖，重新建立新的有线网络系统，在成本上、人力上、扩展性等方面都不符合实际情况的发展。因此，建立一套灵活、可靠、扩展性强的煤矿安全无线监控网络迫在眉睫。

随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造技术的飞速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器在军事、工业、农业和宇航各个领域开始出现。无线网络传感器是集传感器执行器、控制器和通信装置于一体；集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源(计算、存储和能源)受限的嵌入式设备。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。传感器网络在军事侦察、环境信息、检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。

蓝牙技术是无线通讯的一种，在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年正式问世。Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。另外，Zigbee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。

目前，我国矿区监控技术也从人工监控发展到了自动监控与监控，监控系统从环境安全监控发展到了工况监控和生产监控，并逐步形成了矿区监控网络，为矿区生产和管理的现代化提供了良好的条件。国外六、七十年代发展起来的煤矿监控技术，近年来在我国有了飞速的发展，各种煤矿监控系统及其配套产品应运而生。

大连矿山安全科学技术研究院的井下人员定位跟踪管理系统。该系统是集自动控制技术、射频识别技术、网络通讯技术等，多学科综合应用为一体的自动识别信息系统。该系统是通过对坑道远距离移动目标进行非接触式信息采集处理，实现对人车物在不同状态移动、静止下的自动识别，从而实现目标的自动化管理。

中科院计算技术研究所研发了井下传感网络技术型煤矿无线综合监控系统，该系统利用了无线传感器网络特有的自组织、数据式多跳路由、低成本等特点。

基于上述，目前，我国煤矿井下安全监控系统大多采用设备监控和人工监控相结合的方法，此类安全监控系统在系统成本、可靠性和人员安全方面有很大的不足之处。

首先，基于有线网络的安全监控系统由于需要建设有线传输系统，因此在很大程度上限制了网络规模的扩大。随着开采面的不断向前推进，开采计划随井下煤炭的分布情况而变化，基于有线网络的安全监控系统的扩展跟不上开采的实际要求，使得网络的数据可靠性和实时性得不到保证，难以确保重要的安全数据、控制数据和井下仪表的检测数据及时的传输。这就成为煤矿安全监控系统采用有线网络为传输介质的最大不足。

其次，人工监控的方案是凭借专门人员丰富的实际经验对危险情况的发生进行预测。由于该类专门人员数量有限，同时考虑到监察员对各个区域检查的随机性，导致不可能覆盖井下所有区域。而且，瓦斯在空气中含量高时可降低氧含量，引起窒息，亲自到达信息采集点采集瓦斯信息，还存在采集人员的人身安全问题。

发明内容

针对现有煤矿安全监控系统技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种通过无线传感器网络通信方式，网络拓扑结构动态变化，网络具有自组织和自调整特性的基于ZigBee网络节点的监控网络系统。