基于ZigBee井下人员状态监测系统探究【摘要】为进一步提高对井下人员的安全管理水平，本文釆用ZigBee技术设计了一个无线传感监测系统。利用ZigBee芯片CC2530和加速度传感器MMA7260设计出一种体积小、功耗低的人员监测节点，实时监测井下人员的所在位置和运动状态，接收监控主机的报警信息。通过本系统，地面管理人员可以实时了解井下人员的情况，有效进行矿井的生产安全管理。【关键词1ZigBee；CC2530；加速度传感器；人员监测1•引言我国是产煤大国，煤矿数量众多，以地下开采为主。矿井的自然环境非常复杂，开采条件也极端多变，瓦斯、顶压等安全隐患时刻威胁着井下工作人员的生命安全。井下昏暗、嘈杂，工作人员因碰撞、湿滑、身体状况等原因摔倒后可能长时间处于昏迷并平躺的状态，若不能及时发现会错过宝贵的抢救时间。目前使用较多的KJ系列监测系统实际上只是一种基于RFID技术的考勤记录系统，无法让管理人员及时、准确地了解井下人员的具体方位和身体状态。ZigBee技术的出现为设计无线矿井安全监测系统提供了有利条件。ZigBee无线网络具有低功耗、低成本、通信可靠、组网灵活、自愈合能力强等特点，非常适合监测矿井的环境因素、人员的位置状态。2.系统总体结构井下人员状态监测系统可分为井下和井上两大部分，如图1所示。井下的协调器、路由节点、人员监测节点组成一个ZigBee数据采集系统。在井下巷道的出入口安装协调器,沿长长的巷道两侧每隔一定距离（50m〜100m）错位部署［1］一个路由节点。随着采掘面的前进、作业位的变迁而不断增加路由节点的数目，扩展ZigBee无线网络的覆盖范围。佩戴在下井人员身上的人员监测节点具有自身状态检测、报警功能，同时集成RSSI衰减定位模块，能以路由节点为参考获得相对坐标信号。本系统采用树形网络拓扑结构，节点安装完毕后通信路径就基本确定。当某个路由节点发生故障，其下位节点就启动重新路由发现，自动选择其他路由从而保持与网络的连接，同时上报故障节点的信息。如果矿井事故发生导致连续几个路由节点受到损坏、通信受到障碍，可由救援人员携带移动路由节点［2］形成一条自组织通信网络来恢复通信。井上的监控主机通过CAN总线与协调器连接，实现长距离数据传输。监控主机分析处理协调器上传的监测数据，当出现异常或有紧急情况时，及时向井下ZigBee系统发送警告信息或撤退指令；将直观的监测表、方位图通过局域网、互联网使井上管理人员及时了解井下工作人员的情况，如图Io3.人员监测节点设计3.1节点硬件结构人员监测节点以CC2530为核心，包括报警电路、按键电路、工作指示灯、电量指示灯、电池供电电路和人体运动检测电路等，组成框图如图2所示。CC2530是TI公司于2009年推出的第二代片上集成（S0C）芯片，支持ZigBeePRO.ZigBeeRF4CE等多种协议,具有RSSI定位引擎。与CC2430相比，它更小的封装尺寸（6X6mm）,更小的功耗（接收时24mA,发送时29mA,休眠时0.4uA）,更大的输出功率（4.5dBm）,更大的闪存（256KB）。当矿工发现险情或发生意外事故时，可以长按1秒钟报警按钮启动手动报警，主动发送求救信息。监控主机接收到此信号后自动发出报警信号提醒工作人员实施营救。监测节点接收到监控主机发送的警告信息后会触发蜂鸣器鸣叫并闪烁工作指示灯。可通过节点上停止按钮停止报警，也可从监控主机远程关闭报警。监测节点采用可充电的锂电池驱动。为了节省电池的电力，减少对信道资源的持续占用，可将监测节点设置成每隔一段时间（如1分钟）发送一次自身信息，收到确认后立即进入休眠模式。当监测节点长时间处于同一个固定路由节点感应范围内时，可以降低两者的通信频率。3.2人体运动检测电路为不影响矿工开采作业，最舒适的监测节点携带方式是别在腰带上或内置在安全帽中。因此，我们选用了不需要与人体皮肤保持接触的加速度传感器来实现井下人员身体状态的监测。若在规定的时间内被监测到未发生身体运动[3],或超过一定范围就表明有异常状况发生。经过反复筛选，最后我们确定采用飞思卡尔公司推出的业界第一款三轴加速度传感器MMA7260[4]。MMA7260能同时测量空间方位上X、Y、Z三轴方向上的加速度信号，输出一个与加速度信号成正比的...