1 前言

近年来，煤矿安全事故一直是大众关注的焦点，在全国广泛关注的王家岭事件之后，智利的矿难给我们上了一堂井下安全教育课。在安全制度和救援机制与技术上，我们远远落后于智利。井下安全是一个涉及很多方面的问题，需要煤企管理者的观念意识的转变，社会监督、立法等道德法律手段去影响，其中缺少了哪一环，都可能会使安全系统形同虚设。

当然，一个优秀的安全监控系统，也会从基层对于提高井下安全起到一个推动作用：可靠稳定，性价比高，维护成本底，使用方便，会让安全机制更容易走进煤矿企业。

术业有专攻，为解决这个社会问题，需要社会各界不同的团体来一起努力，社会学家处理社会关系，职权部门立法监督执行，各司其职，作为科技企业，我们则致力于提供技术上的最佳方案。

2 井下安全需要意识也需要技术

井下定位与通信有两种方案：无源卡与有源卡。前者不需要电池供电，但是读卡距离短，不具备下行数据传输能力；后者需要电池，不仅需要考虑低功耗设计，更要考虑本安防爆，不过更实用的是后一种方案。因为实际应用确实需要长距离的通信，而电池和防爆的问题，都是可以解决的。

ZigBee技术是目前广泛讨论和实施的井下定位和通信技术，相比于其他无线通信技术，2.4 GHz的无线ZigBee技术有很多特点，下面将具体介绍。

2.1 ZigBee技术介绍

ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，ZigBee技术模仿蜜蜂通过跳舞来传递信息的方式，通过相邻网络节点之间信息的接力传递，将一个信息从一个节点传输到远处的另外一个节点。

ZigBee技术的特点是低成本、低功耗、高数据率，网络结构优良。

相比于WIFI，ZigBee在技术上更简单，不需要复杂的上层协议，SoC单芯片解决方案成本低，这也导致了它更省电。

相比于绕射能力更强的低频段无线通信技术，2.4 GHz的ZigBee有着更准确的信号强度指示，更大的数据通信率。对于通信速率，433 MHz最大100 kb/s的通信速率在一般应用中也够用了，但是通信速率10倍于433 MHz最大传输速率的ZigBee技术(ZICM2410模块可达1 MHz)将可以承载更多的应用，如体征数据传输，环境参数采集以及下行信息控制等。

在井下使用ZigBee技术有以下的好处。

(1)低功耗省电

单个节点的模块功耗低于100 mW，而且单芯片可实现大部分功能，如图1所示，ZICM2410模块，以每隔10 s发送一次定位数据，使用550 mAh(放电量约为500 mAh)的电池可以工作13个月。

(2)易于实现本安防爆

因为需要的工作电压低，工作电流小，只需要在电池安装处做防火花处理即可。

(3)有效读卡范围远

图1所示的计算表，已经是模块工作在最大通信范围时的功耗，在此功耗下，外置5 dbi的天线，可实现视距500 m的通信，使用板载天线，写字楼内通信距离可达到150 m，基站如果采用有线供电，可以使用大功率高接收灵敏度（ZICM2410P2模块），实现接近300 m的通信距离。具体模块参数如表1所示。

表1 ZigBee模块参数

为实现ZigBee设计者的初衷，必须要配合相应的路由协议程序，实现“接力跑形式”的传递，参考了ZigBee 2006协议栈和一些Mesh网络协议，我们推出了精简型快速的ZLGnet无线路由协议。

相比于标准ZigBee协议栈，ZLGnet具有路由查找速度快，路由策略稳健等特点，使用自带的配置软件即可实现路由表的获取，并可以知道哪个节点的信号强度最弱，这在布设基站时，非常有用。查找路由表界面如图2所示。

图2 查看路由表和最差信号质量

2.2 系统网络拓扑图

无线定位通信组件是一个ZigBee网络，这个网络的基础架构是分布于巷道内的ZigBee路由中继节点，由这些节点挂接在有线主干网上，此有线主干网一般为CAN总线，分布的路由节点也是井下的标尺，配合地面监控中心的GIS软件，中心监测站的技术人员可以确定每个人的位置。系统拓扑图如图3所示。

图3 系统拓扑图

在巷道中，ZigBee信号的传输不能像地面无障碍传输一样，巷道内通信距离要远远低于地面视距传输距离，中国矿业大学曾对各种频率的无线电信号在井下的传输距离做过详细的测试，并发表了相关的论文《矿井无线传输的特点》，论文指出，巷道拐弯、倾斜以及分支对于2 GHz高频信号影响是非常大的。因此，全部走无线，不但成本非常高，也不利于实现冗余。可靠的组网方式是采用“CAN(485)有线主干网+无线基站+有源定位卡”的方案。

在布设无线系统时，要在施工前期，做好现场勘查，需要按照无线系统施工的标准作业流程，准备现场平面及三维图，实测信号衰减参数，撰写完整的《现场勘查报告》。

3 小结

站在无数煤矿工人的人身安全面前，我们坦诚地说，我们没有完整成套的井下定位及通信系统，我们有的，仅仅是对于矿工安全的一份关注，一个善意的提议，我们能为矿井安全做些什么吗？作为一个致力于工业通信的科技企业，我们或多或少承担着用技术来保障人民生命财产安全的社会责任。

在此呼吁：煤炭行业的工程师，请审慎选择你们使用的每一个器件和产品，做好各项测试，心中时刻谨记自己在为自己兄弟姐妹们的生命安全在工作，希望无数的嵌入式系统研发企业，能多一点人文关注，携手提升国内煤矿的安全水平。