ZigBee技术及其在矿山中的应用
近年来，随着网络和通信技术的发展，人们对无线通信的要求越来越高，短程、低速、廉价的“ZigBee”无线网络技术正逐渐成为关注的焦点。ZigBee技术[1]是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术,也是目前嵌入式应用的一大热点。
目前，国内的煤炭生产安全事故不断发生，特别是瓦斯爆炸事故接连发生，给人民生命财产带来了巨大损失。面对现实情况，不断加强灾害预防、事故救助等措施将事故带来的损失降至最低，已经成为当务之急。因此，实现井下人员的定位和各种安全生产要素以及井下环境（如瓦斯、温度、湿度等环境指标）的无人自动采集尤为重要。由于矿山井下环境复杂，对功耗、抗干扰性等方面有较严格的要求，因此可以选择ZigBee技术的无线通讯网络来实现井下环境监测和人员定位。目前许多公司对于ZigBee技术应用都有一定的研究[2]。
2. ZigBee技术
ZigBee是基于IEEE 802. 15. 4的无线通信协议,它是一种短距离、低功耗协议,专用于小型设备如温度调节装置、照明控制器、镇流器、环境检测传感器与医疗设备等。一个基于ZigBee的无线个域网(WPAN)能持高达254个节点,外加一个全功能器件,即实现双向通讯。
ZigBee技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定ZigBee技术适于承载数据量较小的业务。
2．1 ZigBee 联盟
ZigBee 技术的物理层和链路层主要采用IEE802.15.4标准，而网络层、安全协议、应用文档以及市场推广由ZigBee 联盟[3]负责。ZigBee 联盟成立立于2002年8月, 由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司及荷兰飞利浦半导体公司组成, 如今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。
2．2 ZigBee协议栈
ZigBee 协议栈[4]采用分层结构, 包括: 物理层(PHY Layer)、媒体接入控制层(MAC Layer)、网络层和应用层。如图1所示。
网络层以上协议由ZigBee联盟制定, IEEE组织负责定制PHY 层和MAC 层标准。应用层包括应用对象终端设备和应用接口层, 且最多只能包含31 个应用对象。应用接口层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee 网络层上, 其中包括: 安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现及业务发现。网络层主要考虑采用基于ad2hoc 技术的网络协议, 包含以下功能: 通用的网络层功能, 拓扑结构的搭建和维护, 命名和关联业务, 包含了寻址、路由和安全，有自组织、自维护功能, 以最大程度减少消费者的开支和维护成本。媒体接入控制层协议包括以下功能: 设备间无线链路的建立、维护和取消; 确认模式的帧传送与接收; 信道接入控制; 帧校验; 预留时隙管理; 广播信息管理。
2．3 ZigBee 技术的特点
ZigBee 技术的具有以下特点[5]：
① 低功耗:由于ZigBee 的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee 设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达6 个月到2 年左右的使用时间,其功耗远远小于其它无线设备。
② 成本低: ZigBee 模块的初始成本在6 美元左右,估计很快就能降到115～215 美元,并且ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于ZigBee 也是一个关键的因素。
③ 时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延为30ms ,休眠激活的时延是15ms ,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等) 应用。
④ 网络容量大:一个星型结构的ZigBee 网络最多可以容纳254 个从设备和一个主设备,而且网络组成灵活。
⑤ 可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC 层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
⑥ 安全:ZigBee 提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES - 128 的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
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