zigbee技術(shù)介紹：

（1）zigbee簡(jiǎn)介：ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，完整的協(xié)議棧只有32KB，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。這些特點(diǎn)決定ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。與現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)在功耗和成本上相對(duì)較低，有很大的優(yōu)勢(shì)。本文研究設(shè)計(jì)的礦井人員定位及瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)時(shí)定位井下人員的位置及監(jiān)測(cè)礦井空氣中的瓦斯?jié)舛?，?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、便于安裝性、低成本、節(jié)能和實(shí)際可行性，從而給煤礦生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行提供一定的保障，為礦井的防災(zāi)、減災(zāi)以及提高生產(chǎn)效率方面發(fā)揮一定的作用。

（2）zigbee技術(shù)特點(diǎn)：

◇ 物理層RF 通信鏈接直序擴(kuò)頻采用高處理增益；明晰的信道檢測(cè)；對(duì)干擾能量進(jìn)行檢測(cè)；采用跳頻技術(shù)Frequency agility；
◇ 協(xié)議 基于CRC的誤碼檢測(cè)/校正；采取了避免沖突的策略CSMA/CA；為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用的有保證的時(shí)隙；發(fā)送的數(shù)據(jù)包都有待于接受方的確認(rèn)，如出現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行重發(fā)；保持?jǐn)?shù)據(jù)包的及時(shí)傳輸Packet data freshness；
◇ 通信可靠機(jī)制 zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；明晰的信道檢測(cè)；MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。
◇ 網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng) zigbee的自組織功能：無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；zigbee自愈功能：增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無(wú)需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。

（3）zigbee的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

◇ 數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒~250KB /秒，專注于低傳輸應(yīng)用
◇ 功耗低：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)電池可使用6~24個(gè)月；
◇ 成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本；
◇ 網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65,000個(gè)設(shè)備；
◇ 時(shí)延短：典型搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。
◇ 網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠；
◇ 數(shù)據(jù)安全： ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法（美國(guó)新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各個(gè)應(yīng)用可靈活確定其安全屬性
◇ 工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國(guó)），均為免執(zhí)照（免費(fèi)）的頻段

（4）zigbee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：

◇ 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，是3種設(shè)備類型中最復(fù)雜的一種，存儲(chǔ)容量最大、計(jì)算能力最強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路由消息、不斷地接收信息。
◇ 全功能設(shè)備(FFD)：可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它的FFD或是精簡(jiǎn)功能裝置（RFD）連結(jié)，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。 附帶由標(biāo)準(zhǔn)指定的全部 802.15.4 功能和所有特征 更多的存儲(chǔ)器、計(jì)算能力可使其在空閑時(shí)起網(wǎng)絡(luò)路由器作用。 也能用作終端設(shè)備
◇ 精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。 附帶有限的功能來(lái)控制成本和復(fù)雜性 在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。 ZigBee相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)自然節(jié)省了費(fèi)用。RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡(jiǎn)單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。

方案介紹：

（1）總體介紹：本系統(tǒng)是由多個(gè)自給供電的ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的，每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、簡(jiǎn)單計(jì)算以及與其他節(jié)點(diǎn)及外界進(jìn)行通信，從而使得眾多的傳感器和zigbee手持終端可以通過(guò)協(xié)同工作進(jìn)行高質(zhì)量的通訊，組成一個(gè)容錯(cuò)性較好的采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包括ZigBee精簡(jiǎn)節(jié)點(diǎn)、ZigBee全功能節(jié)點(diǎn)和zigbee路由節(jié)點(diǎn)，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖，其中ZigBee全功能節(jié)點(diǎn)主要用于組合從各個(gè)瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)以及負(fù)責(zé)與外界的通信，該節(jié)點(diǎn)基于嵌入式系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用部分網(wǎng)狀(Partial Mesh)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其主要好處是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的范圍都成倍地?cái)U(kuò)大了，沒(méi)有最大通信距離的限制，因?yàn)樗械墓?jié)點(diǎn)都被用作中繼器或路由器。這樣在所有節(jié)點(diǎn)中都能實(shí)現(xiàn)冗余路徑。

（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖：

（3）功能描述：

◇ ZigBee全功能節(jié)點(diǎn) 主要功能是采集瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)和終端節(jié)點(diǎn)的接力數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee路由節(jié)點(diǎn)或相鄰的全功能節(jié)點(diǎn)。ZigBee節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、通訊模塊、存儲(chǔ)模塊和電源管理模塊組成，包括電源模塊指示燈/開(kāi)關(guān)、傳感器模塊接口、天線接口等。傳感器有很多種類，可以檢測(cè)溫濕度、光照、噪聲、振動(dòng)、磁場(chǎng)、加速度、氣體濃度等物理量。本系統(tǒng)采用的傳感器模塊采用瓦斯傳感器和溫濕度傳感器。瓦斯傳感器采用高靈敏度低功耗瓦斯傳感器，它以二氧化錫為基本敏感材料，專門用于可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)的一種半導(dǎo)體型氣體傳感器。它的基本特征是：極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度且低功耗。適用于對(duì)瓦斯等可燃?xì)鉂舛鹊臋z測(cè)，用于瓦斯報(bào)警器，可燃?xì)鈭?bào)警器，瓦斯檢測(cè)儀等。該傳感器體積小，耗電低，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，報(bào)警濃度為甲烷≥1％，響應(yīng)時(shí)間≤20s，恢復(fù)時(shí)間≤30s，工作溫度范圍-15℃～+50℃，濕度≤97％RH，靜態(tài)功耗為150mW，報(bào)警狀態(tài)功耗為300mW，供電電壓為3～5VDC。傳感器敏感組件的電阻RS的變化表現(xiàn)為負(fù)載電阻RL上的電壓變化。驅(qū)動(dòng)電壓VH、負(fù)載電阻RL以及檢測(cè)電壓VD的取值參照公司提供的典型資料，以使傳感器處于最佳工作狀態(tài)。

◇ zigbee終端節(jié)點(diǎn) 該節(jié)點(diǎn)主要完成由手持zigbee終端組成，完成井下人員的定位功能。其原理如下：井下人員佩帶zigbee終端，終端與全功能節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，監(jiān)控人員根據(jù)路由節(jié)點(diǎn)傳回的信息，得知井下人員的大致位置。為保證人員區(qū)域檢測(cè)，最大限度的降低終端功耗，采用路由節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)，終端呼叫方案：路由節(jié)點(diǎn)在平時(shí)工作在偵聽(tīng)狀態(tài)；終端工作在休眠待機(jī)狀態(tài)，每隔3秒發(fā)送一次呼叫，和區(qū)域內(nèi)的全功能節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)建立鏈接，確認(rèn)信息，內(nèi)置重發(fā)機(jī)制。
◇ 路由節(jié)點(diǎn) 主要完成數(shù)據(jù)的無(wú)線通訊任務(wù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)位置，完成人員定位工作。在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)可以同RS485總線相連，完成路由節(jié)點(diǎn)同GPRS DTU的通訊任務(wù)。