摘要：针对煤矿井下安全监控的需求，通过方案和系统设计、NS仿真分析，开发了一种基于ZigBee技术与Mesh网络相结合的安全监控系统。该系统通过安装在终端节点上的传感器采集井下数据，将采集到的数据通过Mesh网络传输到井上监控中心，实现对井下环境数据的实时监控。该系统具有可靠性高、网络覆盖范围大、移动性好的特点。对煤矿井下安全监控及安全事故的预防具有指导意义。
关键词：ZigBee；CC2538；节点；Mesh网络；安全监控中图分类号：TD 76文献标志码： A
Design of network safety monitoring system
based on ZigBee Mesh in mine
QIANG YunXiao，TIAN Feng
（College of Communication and Information Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）Abstract：According to the requirements of the coal mine safety monitoring，through the scheme and system design and NS simulation analysis，a security monitoring system based on the combination of ZigBee technology and Mesh network is developed.The system collects the underground environmental data from sensors installed on nodes，and then transmits the collected information to the ground monitoring host through the Mesh network，thus the realtime monitoring of underground environment and personnel position is achieved.The system has the characteristics of high reliability，large network coverage and good mobility.It has guiding significance for the coal mine safety monitoring and prevention of safety accidents.Key words：ZigBee；CC2538；nodes；Mesh network；safety monitoring
0引言
煤礦井下安全监控系统主要用来监控和预警瓦斯、火、冲击地压等重特大事故。可用于监测甲烷浓度、风速、馈电状态、局部通风机开停等，系统还具有煤与瓦斯突出预警、火灾监控与预警、矿山压力监测与预警等功能[1]。目前井下安全监控系统主要采用有线方式和固定传感器组成网络，随着采掘工作面的推进存在许多监测盲区[2]，难以满足安全监控的需求。为此，文中提出了一种基于ZigBee的Mesh网络井下安全监控系统，针对 ZigBee技术低功耗，低成本，安装方便等特点，结合Mesh网络可靠性高、扩展简便、移动性强等优势，进而可以有效解决传统网络井下安全监控系统中存在的不足。
1方案设计
11Zigbee 功能设备与Mesh网络ZigBee网络中有2种功能设备，即全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD），其中RFD在网络中作为终端节点，相互之间不能直接通信，只能通过FFD设备发送和接收信息。FFD除具有RFD功能外，还可作为协调器和具有路由功能的节点使用[3]。ZigBee网络支持星状、簇树和网状（Mesh网络）拓扑结构。
（a）簇树网络（b）Mesh网络结构
无线Mesh网络是一种点对点网络，它是一种动态的不断可以扩展的网络拓扑结构。将Mesh结构用于IEEE802154低速无线个域网，图1展示了2种网络拓扑结构，与传统的簇树网络相比，Mesh网络具有以下优势
1）多跳组网性。Mesh网络中每个FFD 节点都可以是网络路由器，RFD节点在这些FFD节点间进行数据的路由转发，实现最佳通信路径；
2）移动性。节点可以自由移动，RFD节点可由工作人员随身携带，进行环境数据的动态检测；
3）可扩展性。网络节点可以动态链接，自动搜索路径，大范围监控井下环境数据，有助于提高监控力度；
4）智能性。网络能够自组织，动态自主修复自主调节，当网络中某个节点设备发生故障或受到干扰时，信息可以自动选择其它最佳路径进行传输，有效提高系统的可靠性[4]。
12系统总体结构基于ZigBee的Mesh网络井下安全监控系统如图2所示，该系统由协调器节点、ZigBee路由节点、ZigBee终端节点以及地面监控中心4部分组成。
1）监控中心。主要实现环境数据的实时显示，并做出判断，及时发布相应的预警信号；
2）协调器节点（PAN Coord）。布置于井下主巷道的入口处。网络的组建与管理者，负责接收/转发来自井下节点的数据和井上控制信息；
3）路由节点（FFD）。按实际需求布置于矿井巷道不同的地方。主要完成井下环境数据的多跳中继传输，实现最优化的传输路由；
4）终端节点（RFD）。主要完成井下环境数据的采集和处理，并组建Mesh网络。实际应用中可安装在井下工作人员所佩戴的矿灯上、局部通风机等机械设备上，还可安装在瓦斯涌出量变化较快的危险位置。ZigBee协调节点、ZigBee路由节点、ZigBee终端节点以无线方式自组织形成一个大规模的Mesh网络系统，节点之间通过ZigBee技术实现无线通信，终端节点将采集到的井下环境数据经由路由节点传给协调器节点，协调器节点汇总数据后以有线方式将数据传输给地面监控中心。
2系统设计
21节点硬件设计图3为系统节点的硬件结构，主要包括处理器模块、传感器模块、报警模块和供电模块。
可扩展FLASH和32 kb的RAM，具有24 GHz IEEE802154RF收发器，极高的接收灵敏度和抗干扰性能[5]，满足煤矿井下环境数据采集、传输和存储的需求。在睡眠模式下，该芯片的供电电流仅为04 μA，功耗极低，能够满足井下ZigBee Mesh网络的工作需求。外部接口丰富，可以满足井下外部各类传感器的接入，可扩展性强。
2.1.1终端节点硬件设计终端节点是ZigBee Mesh网络的基本单元，通过扩展接口连接不同类型的传感器完成井下环境监测任务。节点以CC2538芯片为核心，外围接口电路连接各类传感器、电源和射频前端芯片。由于井下巷道环境复杂，CC2538 芯片无法满足实际通信的要求，为了提高无线通信的射频输出率和接受灵敏度，本系统在CC2538 工作电路中加入CC2591射频前端[6-7]。路由器节点在硬件设计方面与终端节点一致，供电模块使用37 V锂电池供电。
2.1.2协调器节点硬件设计协调器节点是整个监控系统的核心，主要负责网络的建立与管理，实现监控信息的融合处理，是井下Mesh网络与井上有线网络连接的中间桥梁，协调器节点将接收井下传感节点的数据存到控制器的RAM中，并通过串口发送给计算机。主芯片CC2538通过FTDI公司的FT232R芯片实现RS232接口与USB接口之间的转换[8]。供电模块选择矿用本安电源提供24 V直流电压，经过DCDC稳压模块输出33 V电压供协调器使用。
22节点软件设计终端节点、路由和协调器节点都是基于ZigBee标准的ZStack 2007协议栈API函数进行设计，系统功能主要在应用层中实现。不同类型的节点，软件内容也不一样，下面以协调器节点的软件设计为主阐明其过程。协调器节点作为网络的第一个节点设备，包含所有的网络信息，主要用于组建网络、管理网络节点、存储网络节点信息[9]。图4所示是其软件流程图。首先进行硬件、协议栈的初始化，创建无线Mesh网络，发送信标允许路由和终端节点的加入，接收到监控中心的命令后将其转发到各个终端节点，最后协调器节点接收终端传感节点的环境数据并将其发送到井上监控中心。路由节点除了对网络中的环境数据进行转发外，还要协助协调器节点建立包括路由节点和终端节点的完整网络，管理其覆盖范围内的终端节点[10]；终端节点在收到来自协调器节点的数据请求命令后进行数据的采集和传输，没有请求时处于休眠低功耗状态。
3系统仿真分析文中采用Ubuntu 1301 + NS234[11-13]实现基于ZigBee的Mesh网络与簇树网络进行仿真比较。
3.1仿真场景参数设置仿真过程中，每个节点表示一个无线布放设备，移动节点（RFD设备）数为5～50个，固定节点（FFD设备）数为9个，其中协调器节点为1个。固定节点之间线性排列，移动节点在井下巷道中随机移动，与固定节点组成ZigBee Mesh网络结构。移动节点在规定的场景范围内（1 000*50 m）随机移动，节点最大运动速度为1 m/s，节点暂停时间为200 s.仿真时间为300 s，节点间建立CBR业务流，CBR包的大小为512Byte，每秒发送2个数据包，节点间的数据流按移动节点数的40%计算。
3.2仿真分析当场景中移动节点的数目分别为5，10，20，30，40，50时，仿真得到图5所示的性能参数数据。
中的数据分组投递率表示所有目的节点成功接收的应用层数据分组数目与源节点应用层发送的分组数目之比[14]。它的大小在一定程度上反映了数据的丢包率大小，网络的可靠性。仿真结果表明：由于受节点间无线干扰得影响，随着移动节点数目的增加数据分组投递率随之下降，传统的树状网络的数据投递率要低于Mesh网络，说明ZigBee Mesh网络具有较好的可靠性。
中表明2种类型的网络端到端的平均延时会随着移动节点数的增加而变大，当移动节点数较少时，延时相差不大，而在移动节点数目较多时，树状网络相对于Mesh网络急剧上升，说明Mesh网络性能优于传统的树状网络。图5（c）中的平均跳数是指数据包从源节点到目的节点所经过的平均跳数。通过它的大小可以反映网络拓扑结构、节点通信范围及路由效率。仿真结果表明：随着移动节点数的增加，2种类型网络的平均跳数都会增大，但Mesh网络变化平稳，说明源节点数、网络的拓扑结构对其影响不大，说明ZigBee Mesh网络的通畅性要比传统树状网络好得多。
4结论根据煤矿安全的要求，设计的一种基于ZigBee和Mesh网络技术的井下安全监控新系统，降低了系统延时，提高了数据包投递率，增强了系统的可靠性。应用网络的覆盖范围大的Mesh网络大大提高了现有监控系统的可扩展性、灵活性和稳定性，强化了系统的监控力度，能弥补现有监控系统的不足，对煤矿安全具有重要的參考价值。
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