矿山安全管理是一项复杂的系统工程，它是以环境、机械、设备、产品、原材料以及相关的人和环境等综合系统为管理对象，最终的目的是保护人和生产资料的安全。矿山的生产是针对位于地下的三维空间中的矿体，矿体周围又有复杂的地质断层，矿山生产的采煤、掘进、通防、机电、运输五个大系统就分布在地下空间中，整个生产过程受瓦斯、一氧化碳、煤尘、涌水、机电、顶板、通风等因素的威胁，复杂的环境条件要求我们随时要注意安全．出现异常能快速准确地定位事故及准确的采取措施。目前我们传统的安全管理方式是以人为主要因素，没有定位、定量、准确性差，越来越不适应于生产的发展，必须采用先进的方法和手段才能更好地解决生命安全保障问题。我们所希望的未来矿山安全系统是能够事先预测事故的发生，掌握事故的规律，做出定性和定量的评价，向有关人员预先警告事故的危险性，将事故的损失降到最低。本文所阐述的应用设想就是对未来矿山安全系统的一种探索。

1 Zigbee 相关技术介绍

     ZigBee是一种新兴的短距离，低速率，低功耗，低成本无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作"Home RF Lite"或"Fire Fly"无线技术，主要用于近距离无线连接。ZigBee的网络标准由IEEE 802.15工作组负责制订，Zigbee是IEEE 802.15.4标准在商业推广上的名称。802.15.4标准的适用范围非常贴近生产和生活，对数据速率和Qos的要求不高，目标市场是工业，家庭以及医疗等需要低功耗低成本以及大面积使用无线监控设备的领域。其基本技术参数如表1所示。

工作频率	2.4GHzISM 868MHz 915MHz
传输速率	250kbit/s 20kbit/s 40kbit/s
信道数量	16 1 10
覆盖范围	10--75 米
扩频方式	直接序列扩频
接入方式	CSMA/CA
调制方式	BPSK/O-QPSK
纠错方式	CRC，ARQ
安全机制	分级安全控制以及MAC和NWK ，AES
业务类型	分组交换
功率消耗	极低
状态模式	激活/休眠
网络结构	星型网/网状网/对等网
网络容量	256个终端 最多可达65536个
协议堆栈	28kbyte
响应时间	15--30ms

表 1 Zigbee 基本技术参数

2 Zigbee 在矿工生命保障上的应用

2.1 系统结构图

图 1 系统结构图

2.2 信号流程框图

 

图 2 信号流程框图

2.3 工作原理说明

    系统设计的基本思想是用传感器和Zigbee模块构成简单的穿戴式网络。

    矿工身上佩戴的终端设备主要由各种传感器，报警器以及Zigbee发射接收模块组成。传感器主要由两部分组成，一部分用于环境监测：包括瓦斯浓度探测，一氧化碳浓度探测，空气湿度探测等功能；另一部分用于矿工生命体征的采集：诸如脉搏、血压、呼吸、体温等，包括脉搏传感器，温度传感器，状态传感器等。上述各种传感器对各种原始信号进行采集后，需要进行模拟信号到数字信号的转换，这一过程要经过模拟信号放器，A/D转换器，电平比较器，信号处理器等设备，转换后得到的数字信号经过Zigbee发射模块无线传输至矿井坑道壁上的网关设备。

     坑道中每隔几十米架设固定的网关设备，并用线缆相联，用于收集Zigbee无线信号，并将收集到的数据通过有线方式传输到地面上的中央控制计算机。由于矿井采掘面不断延伸，有线设备的架设不便及时跟进，所以在采掘面附近采用Zigbee无线中继设备将信号传输至相邻网关。无线网关还需要根据中央控制机算计的指令为建立和启动网络这一过程设置参数，其中包括选择一个射频信道、唯一的网络标识符以及一系列操作参数，以及完成由Zigbee无线数据到有线传输数据格式的转换。

     矿工佩戴的终端设备都拥有一个64位的IEEE地址，也可以使用16位短地址来减少数据包大小，这样只要记录下终端地址就可以很容易确定矿工身份。在发生矿难时也很容易根据网关最后记录找到具体矿工的位置，便于营救。在无线传输时的路由选择在默认时使用树形路由选择，即在做路由选择策略时利用树形结构选址。有了树形路由选择，设备不必保存占用庞大内存的路由表或进行任何额外的空中下载技术操作来发现路径，因此最小化了网络流量，同时简化了设备结构，降低了成本和设备功耗，一般Zigbee设备的耗电量极低，发射功率可以控制在1mW以内，两节普通的五号电池可以支持系统终端工作三个月到一年的时间，非常适合在工矿企业大面积装备。如果采用矿工自身携带的照明系统蓄电池供电，终端的续航能力将大大提高。

    网关收集到的信号通过有线方式传输到地面上，有线互联采用的具体介质以及其中的数据传输方式的选择要根据具体情况综合成本等多方面因素具体考虑,有线数据通过接口模块的格式转换将之变成计算机能识别处理的数据。

    中央控制计算机内部软件要完成的任务主要有：整个系统的控制，数据处理比较以决定是否发出报警，矿难发生时记录终端位置以便营救，对整个系统的数据进行自动备份，且自动上传至政府安全生产监督管理局监管系统主机。对系统的控制包括控制Zigbee网络开启关闭设置参数等。数据处理主要是对收集的各种参数与预先内置在系统中正常值进行比较，比如对瓦斯浓度进行对比以决定是否要切断电源；对一氧化碳浓度进行对比以决定是否要人员撤离；对空气湿度进行对比以判断是否有发生透水事故的可能等。软件系统中查询历史数据的功能是必不可少的，因为通过查询就可以得知在发生意外时，各个终端的具体位置，以及终端佩带者当时的身体状况，从而为详细制定营救方案提供依据。对于所有矿井安全管理的数据都要自动上传到当地国家安全生产监督管理局的监控主机，便于政府对矿业安全的监管。中央控制计算机内部软件设计具体流程如图3所示。

3 结论

    Zigbee技术的引入使我们可以定量定性的对矿井的安全状况做出评估，使减少人为因素在矿业安全管理上造成的漏洞成为可能。后续的技术研发将进一步加强终端的灵敏度探测范围以及续航能力，进一步加强无线传输的可靠性准确性，进一步扩充网关和中央控制计算机的功能，以及加强系统远程控制能力，使各地国家安全生产监督管理局能直接控制矿井安全管理，减少私人矿井所有者玩忽职守的可能，以达到进一步提高现有矿井安全管理水平的目的。

图 3 软件设计流程