彭云　王官升　安雁

【摘 要】煤礦井下人員“三網(wǎng)合一”智能綜合管理系統(tǒng)是將虹膜識別系統(tǒng)、礦燈智能充電管理系統(tǒng)及井下人員跟蹤定位系統(tǒng)相互綁定，虹膜識別系統(tǒng)中的下井人員身份信息能在礦燈智能充電管理系統(tǒng)中得以識別并顯示，使得考勤記錄信息能夠精確到每個人，從而為采用RFID無線射頻識別技術(shù)的跟蹤定位系統(tǒng)的實施奠定良好的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】三網(wǎng)合一；智能；綜合管理；虹膜識別；智能充電；跟蹤定位；RFID

【Abstract】“Three Integrated Networks” intelligent management system of the coal mine workers binds mutually the iris recognition system， the miner intelligent charging management system and the underground workers tracking-positioning system. The identity information of workers going down in the iris recognition system can be identified and displayed in the miner intelligent charging management system， thus laying a good foundation for tracking-positioning system using RFID technology to implement， make attendance record information accurately to each worker.

【Key words】Three Integrated Networks； intelligent； Integrated management； Iris recognition； Intelligent charging； Tracking-positioning； RFID

0 引言

我國是全球產(chǎn)煤量最多的國家，2013年全國煤炭產(chǎn)量完成37億噸，百萬噸死亡率為0.293，雖然歷史上首次降到0.3以下，但它和先進的產(chǎn)煤國家比較，還是先進國家的10倍。因此煤礦安全生產(chǎn)一直都是政府和煤炭生產(chǎn)企業(yè)以及社會關(guān)注的問題，然而由于造成煤礦發(fā)生事故的原因很多，如：瓦斯爆炸、冒頂、透水和漏電等因素，所以在煤礦生產(chǎn)過程中，人力不可避免的、突發(fā)性的事故時有發(fā)生。因此，如何在礦難事故發(fā)生后準(zhǔn)確、實時、快速確定井下工作人員的具體位置，并及時做好井上與井下人員的信息通訊工作也一直是人們關(guān)注的焦點。

限于國內(nèi)多數(shù)礦井救護技術(shù)裝備的落后，地面對井下人員的監(jiān)控不完善，人員分布情況的定位不清楚，因而也就無法進行有效的營救工作。目前，國外以美國霍尼韋爾公司為代表的煤礦人員管理系統(tǒng)多數(shù)采用無線射頻識別（Radio Frequency Identification，以下簡稱RFID）技術(shù)[1-2]與Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。國內(nèi)僅局部有射頻卡類礦山人員定位系統(tǒng)應(yīng)用，但效果不佳。煤礦井下人員“三網(wǎng)合一”智能綜合管理系統(tǒng)是將虹膜識別系統(tǒng)[3]、礦燈智能充電管理系統(tǒng)和井下人員跟蹤定位系統(tǒng)[4]相互綁定，將考勤記錄信息精確到每個人[5]，從而能夠更加準(zhǔn)確、有效地確定井下作業(yè)人數(shù)和具體位置，不僅在礦難發(fā)生后便于有效、積極地開展?fàn)I救，而且在日常生產(chǎn)中能有效地掌握人員分布情況，安排和調(diào)度工作，提高煤炭生產(chǎn)的管理水平[6]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)概述

首先，入井人員通過虹膜識別系統(tǒng)進行注冊、識別，獲得領(lǐng)取礦燈的認(rèn)證，同時虹膜識別記錄其入、出井的時間。其次，礦燈智能充電管理系統(tǒng)主要是完成領(lǐng)取礦燈人員的識別，并顯示使用人員信息、礦燈充電狀態(tài)。該系統(tǒng)能夠顯示的充電參數(shù)，如領(lǐng)取礦燈人員的姓名、所在部門、礦燈編號、壽命、充電狀態(tài)及取走時間等信息，目前國內(nèi)外能在每個充電燈位上顯示諸多數(shù)據(jù)信息的智能充電架尚無問世。虹膜識別系統(tǒng)中的人員身份信息能在礦燈智能充電管理系統(tǒng)中識別并顯示。最后，井下人員跟蹤定位系統(tǒng)是在巷道的入井、交叉口及采掘工作面入口等安裝讀卡器，每位入井人員隨身攜帶身份標(biāo)識卡，當(dāng)通過讀卡器時信息被記錄并上傳至井上監(jiān)控機，從而能夠精確、實時地掌握井下作業(yè)人數(shù)和具體位置。

1.2 虹膜識別系統(tǒng)

虹膜識別技術(shù)是由中科院自動化所于1998年開始進行的研究，2000年具有自主知識產(chǎn)權(quán)的虹膜識別系統(tǒng)研發(fā)成功[3]。虹膜由許多腺窩、皺褶、色素斑等構(gòu)成，是人體中最獨特的結(jié)構(gòu)之一。其高度的獨特性、穩(wěn)定性及不可更改的特點，是當(dāng)前身份鑒別應(yīng)用最為方便和精確的一種[5]。

1.3 礦燈智能充電管理系統(tǒng)

系統(tǒng)可實現(xiàn)5～60個充電架的管理，每個充電架能對96盞礦燈同時充電及管理。如下圖1所示。

1.4 井下人員跟蹤定位系統(tǒng)

1.4.1 RFID技術(shù)

RFID技術(shù)起源于20世紀(jì)40年代雷達技術(shù)的發(fā)展[7-8]，是從20世紀(jì)90年代興起的一項自動識別技術(shù)[4]。RFID由標(biāo)識卡、讀卡器和天線三部分組成[1-2]。井下人員每人配帶一個和讀卡分站配套帶有固定編號的標(biāo)識卡，卡內(nèi)存有唯一的卡號，與此卡號相對應(yīng)的礦工身份信息存入數(shù)據(jù)庫。讀卡器有不同的地址，適當(dāng)數(shù)量的讀卡器使用RS485組成一個讀卡分站，分站的各個站點組成CAN[9]總線網(wǎng)絡(luò)，并連接到地面上位機。隨身的標(biāo)識卡固定時間發(fā)出一個頻率信號，當(dāng)經(jīng)過與讀卡器的距離小于100m時，讀卡器識別標(biāo)識卡并將射頻卡號和自身卡號，通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給數(shù)據(jù)中心站，數(shù)據(jù)中心站的服務(wù)器負(fù)責(zé)將其進行處理，并自動對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行更新存儲[10]。

1.4.2 CAN-以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置

光纖千兆以太網(wǎng)，從井上到井下沿軌道大巷，再從皮帶輸送巷到井上組成環(huán)網(wǎng)，為主干通信網(wǎng)絡(luò)，可同時實現(xiàn)礦井自動化、安全監(jiān)控以及人員綜合管理的信息傳輸。井下盤區(qū)入口處安裝以太網(wǎng)交換機以及第二層千兆以太網(wǎng)，井下回采工作面入口、掘進工作巷入口、變電站及指揮場所等安裝二級以太網(wǎng)交換機。以太網(wǎng)每個交換機都連接一個網(wǎng)關(guān)，其作用是將以太網(wǎng)傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換成CAN總線協(xié)議。為提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，CAN總線采用分布式結(jié)構(gòu)布置，即多個獨立的CAN總線分別連接第一層和第二層以太網(wǎng)，因此當(dāng)某一段CAN總線有故障，其它CAN總線不會受到影響。如下圖2所示。

1.4.3 Zigbee技術(shù)

井下礦工配戴的信息礦燈中裝有標(biāo)識卡，信息礦燈與LED節(jié)能巷道燈聯(lián)鎖，信息礦燈每2s發(fā)送一次頻率信號，當(dāng)它進入帶有“Zigbee”無線網(wǎng)絡(luò)管理的區(qū)域中，LED節(jié)能巷道燈接收到信號后就會全功率照明，如果4s后沒有接收到信號，就會以1W低功率點燃。信息礦燈與自救器聯(lián)鎖，當(dāng)?shù)V工取下笨重的自救器進行工作時，信息礦燈就會持續(xù)閃爍，警示人員。

2 系統(tǒng)硬件的應(yīng)用設(shè)計

2.1 虹膜識別系統(tǒng)[3]

該系統(tǒng)包括注冊單元，完成人員基本信息與虹膜信息的注冊；識別單元，完成人員身份識別、考勤與傳輸?shù)裙δ?；服?wù)器單元，完成人員的考勤、日志記錄以及數(shù)據(jù)的備份等功能；監(jiān)測單元，基于B/S構(gòu)架進行實時監(jiān)測和在線管理。

2.2 礦燈智能充電管理系統(tǒng)

2.2.1 充電板

充電板可實現(xiàn)4.2V/（1.8～4Ah）鋰電池充電，充電電流在600～950mA。由于采用專用鋰電池充電芯片，因此可進行三階段充電，即涓流、恒流、恒壓充電。充電板可輸出充電、充滿、有無燈信息供數(shù)據(jù)采集板使用。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集板

數(shù)據(jù)采集板的核心芯件采用ARM-STM32F103的32位單片機，所以具有很強的數(shù)據(jù)處理能力，包括數(shù)據(jù)I/O量、A/O量采集、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)RS485傳輸。數(shù)據(jù)采集板可實現(xiàn)12個充電板的數(shù)據(jù)采集與處理，并通過RS485接口將采集的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)收發(fā)板。在數(shù)據(jù)采集板上有一個供顯示用的輸出端口，串行連接12塊4位LED數(shù)據(jù)顯示模塊，當(dāng)無礦燈充電時，顯示礦燈編號；當(dāng)有礦燈充電時，顯示電池電壓；當(dāng)?shù)V燈電池充滿時，交替顯示礦燈編號和電池電壓；當(dāng)?shù)V燈或充電板出現(xiàn)故障時，采用間斷顯示礦燈編號的方式來報警。

2.2.3 數(shù)據(jù)收發(fā)板

數(shù)據(jù)收發(fā)板的芯件同樣采用32位ARM-STM32F103單片機，對采集的數(shù)據(jù)匯總、打包、緩存。當(dāng)上位機需要數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)收發(fā)板通過以太網(wǎng)線接口將數(shù)據(jù)發(fā)送進行處理。數(shù)據(jù)收發(fā)板的使用可大大提高系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理速度。

2.2.4 顯示板

顯示板在充電架上共有96塊，用來顯示礦燈的充電參數(shù)，如礦燈編號、電池電壓、充電、充滿、取走等。

2.3 井下人員跟蹤定位系統(tǒng)

2.3.1 硬件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)采用32位ARM-STM32F103單片機為核心處理芯片，一端連接以太網(wǎng)，另一端連接CAN總線。以太網(wǎng)處理芯片采用SPI同步串口的ENC28J60芯片，輸出采用20F001N及RJ-45接口。CAN總線接口采用SN65HVD230芯片，輸出為三線，其中一根為地線口，內(nèi)部采用大容量串行FLASH25VF016存貯器。

2.3.2 讀卡器

讀卡器同樣采用32位ARM-STM32F103單片機為核心處理芯片，無線收發(fā)模塊采用Si4432芯片，發(fā)射功率為+20dbm，接受靈敏度為-116dbm，空曠通訊距離大于2000m，工作頻率為：240～930MHz。32位ARM-STM32F103單片機與Si4432通過串口連接，將從無線口接受到的數(shù)據(jù)通過CAN總線的接口芯片SN65HVD230輸出。

2.3.3 標(biāo)識卡

識別卡采用 8位單片機和Si4421無線收發(fā)芯片組成。Si4421工作在433MHz、868～915MHz以及2.4GHz三個頻段，采用GFSK載頻調(diào)制，發(fā)射功率為5～10dbm。移動標(biāo)識卡每隔2秒鐘發(fā)送一次信息，發(fā)送時首先監(jiān)視空中有無該頻率的無線信號，如果有就等到信號結(jié)束，再延時一個隨機時間，如果無信號，就將自己的信息發(fā)送出去。如果取Si4421傳輸速率為中間值128kbps， 每個標(biāo)識卡所發(fā)送的信息量為320bps，1s即可傳輸400個標(biāo)識卡的信息。

3 結(jié)語

隨著無線技術(shù)的快速發(fā)展，它會在越來越多的領(lǐng)域得以應(yīng)用。煤礦井下人員“三網(wǎng)合一”智能綜合管理系統(tǒng)采用將虹膜識別系統(tǒng)、礦燈智能充電管理系統(tǒng)及井下人員跟蹤定位系統(tǒng)相互綁定的技術(shù)模式，為確定井下作業(yè)人員數(shù)和具體位置提供更有力的保障。雖然，目前的技術(shù)還達不到監(jiān)控人員任何時刻的精確位置，但隨著創(chuàng)新技術(shù)的不斷發(fā)展，堅信會有更為完善的智能管理方案出現(xiàn)。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]