李 冰

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400）

引言

隨著國家多元化結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，煤礦資源的市場(chǎng)需求在逐年增加。由于煤礦作業(yè)環(huán)境具有復(fù)雜性及惡劣性，使得有效保證井下人員及設(shè)備的安全、提高煤礦生產(chǎn)率成為當(dāng)前政府考核企業(yè)的重要安全指標(biāo)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，俄羅斯單個(gè)井下事故造成的人員死亡為0.7人，而中國2018年的煤礦安全事故近300起，造成了近400人死亡。其中，礦井的智能化程度較低，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井中作業(yè)人員進(jìn)行有效定位和監(jiān)控，是導(dǎo)致人員傷亡的重要因素之一[2]。提高礦井的智能化程度，將當(dāng)前成熟的智能化控制技術(shù)應(yīng)用到煤礦開采生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井人員的實(shí)時(shí)定位和實(shí)時(shí)救援，成為降低煤礦事故率及人員傷亡率的重要途徑。為此，對(duì)井下人員定位系統(tǒng)的總體方案研究及關(guān)鍵分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)存在問題

隨著國家技術(shù)水平的不斷提升，人員定位系統(tǒng)已在一定范圍內(nèi)被應(yīng)用到了礦井的人員實(shí)時(shí)定位作業(yè)中，雖在一定程度上提升了井下人員的作業(yè)安全，但此系統(tǒng)僅限于規(guī)模較大的煤礦企業(yè)，大部分中小煤礦企業(yè)均未安裝此系統(tǒng)。同時(shí)，由于井下環(huán)境復(fù)雜，此系統(tǒng)易受各類信號(hào)干擾，在使用中也出現(xiàn)了較大問題，具體如下：

1）定位系統(tǒng)的運(yùn)行速度相對(duì)較慢。當(dāng)井下人員數(shù)量相對(duì)較多時(shí)，系統(tǒng)存在讀卡速度慢、數(shù)據(jù)傳輸滯后、系統(tǒng)運(yùn)行不暢等問題，造成了經(jīng)常出現(xiàn)人員漏讀現(xiàn)象，人員定位的數(shù)據(jù)檢查全面性較弱[3]。

2）所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存在穩(wěn)定性較差。井下環(huán)境中經(jīng)常會(huì)有各類干擾信號(hào)，定位系統(tǒng)大多采用射頻卡讀取數(shù)據(jù)，運(yùn)行時(shí)常受到此些干擾信號(hào)影響，整體抗干擾能力較弱。

3）整體智能化程度相對(duì)較低。當(dāng)前系統(tǒng)僅能對(duì)人員的具體位置進(jìn)行定位，且定位精度相對(duì)較低，當(dāng)人員發(fā)生異常情況時(shí)，無法對(duì)人員實(shí)時(shí)應(yīng)急救援，系統(tǒng)也無法對(duì)人員情況進(jìn)行準(zhǔn)確報(bào)警及界面顯示[4]。

因此，在現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)基礎(chǔ)上，有必要設(shè)計(jì)一套數(shù)據(jù)傳輸速度快、定位精度高、響應(yīng)迅速、聲光及顯示一體的新型人員定位系統(tǒng)，當(dāng)井下發(fā)生故障災(zāi)害時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員的精準(zhǔn)定位和及時(shí)救援，這對(duì)保證井下作業(yè)安全及人員生命安全意義重大。

2 人員定位系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前人員定位系統(tǒng)存在的問題，開展礦井人員定位系統(tǒng)的升級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)。該定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括信息檢測(cè)分系統(tǒng)、信息接收分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與顯示分系統(tǒng)等部分，具體結(jié)構(gòu)主要由定位標(biāo)簽、定位基站、控制網(wǎng)井下交換機(jī)、信息傳輸接口、監(jiān)控主機(jī)及LED顯示大屏等構(gòu)成[5]，如圖1所示。其中，定位標(biāo)簽及定位基站主要對(duì)井下人員或移動(dòng)物的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及信號(hào)采集，兩個(gè)部件之間的數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊進(jìn)行信號(hào)傳遞?？刂凭W(wǎng)井下交換機(jī)、信息傳輸接口等對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算處理，是整個(gè)定位系統(tǒng)的核心部分。經(jīng)過分析處理后的數(shù)據(jù)信息通過RS485通訊方式被傳輸至地面監(jiān)控主機(jī)及LED中得以實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)人員或移動(dòng)物出現(xiàn)異常問題時(shí)，可通過定位標(biāo)簽發(fā)出求救信號(hào)并在LED顯示屏中實(shí)時(shí)顯示。救援人員可通過此界面及異常信息有針對(duì)性地對(duì)人員開展及時(shí)救援工作。整套系統(tǒng)具有高效數(shù)據(jù)處理、異常問題報(bào)警、人員定位考勤及工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，大大提高了礦井的工作效率及作業(yè)安全性。

圖1 人員定位系統(tǒng)總體方案

3 定位系統(tǒng)中主要分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 定位基站的設(shè)計(jì)

定位基站作為定位系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，通過設(shè)置的測(cè)距算法，與定位標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，完成對(duì)人員位置信息的收集及距離測(cè)定工作。整個(gè)基站的硬件包括主控單元芯片、存儲(chǔ)芯片、時(shí)鐘單元模塊、定位通信模塊、通訊電纜及電源等部分。其中，所設(shè)計(jì)的基站主要采用32位的cortex芯片，工作頻率為168 MHz，具有待機(jī)、休眠或停機(jī)等多種功能模式，具有多個(gè)RS485通信接口，能實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)的實(shí)時(shí)通訊[6]。同時(shí)，采用32 kHz的石英晶體振蕩器作為其時(shí)鐘單元。定位通訊模塊是整個(gè)基站的核心，采用DW1000的射頻收發(fā)芯片，通訊距離可達(dá)500 m，射頻發(fā)生范圍為3～10 GHz，傳輸速度為7 Mbit/s，能較好地滿足定位系統(tǒng)的距離定位需求。對(duì)電源的設(shè)計(jì)采用12 V和24 V直流鋰電池，可滿足井下八小時(shí)的正常作業(yè)需求。對(duì)通訊模塊的設(shè)計(jì)則采用LAN8720A芯片，基于以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。在完成基站的建立后，通過RS485接口及其他端口與無線通信單元進(jìn)行電路通訊，以獲取定位標(biāo)簽中的具體數(shù)據(jù)信息，其連接電路圖如圖2所示。

3.2 定位標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

圖2 基站與無線通訊單元連接電路圖

圖3 定位標(biāo)簽原理圖

在定位系統(tǒng)中設(shè)計(jì)定位標(biāo)簽無線接收設(shè)備，此設(shè)備可隨身攜帶或被安裝于移動(dòng)物品上，可對(duì)人員及移動(dòng)物品的具體位置進(jìn)行有效識(shí)別，所采集的數(shù)據(jù)信息通過無線定位通訊單元被發(fā)送至定位基站中。該無線接收設(shè)備包括定位芯片、天線、電源、處理器等部件，能通過處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及存儲(chǔ)，其原理如圖3所示。為此，選用市場(chǎng)上成熟的32位cortex型定位芯片，最高工作頻率為72 MHz；選用24C512的存儲(chǔ)芯片，可對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及識(shí)別。電源單元?jiǎng)t主要由電池、電壓轉(zhuǎn)換及充電管理器等組成，可通過DC/DC轉(zhuǎn)換器，將電池中的直流電壓轉(zhuǎn)換為其他部件需要的電壓值，電源芯片型號(hào)為ASM1117，充電管理芯片型號(hào)為TP4056。在完成定位標(biāo)簽對(duì)其設(shè)計(jì)后，需通過RS485通訊接口與無線定位通訊單元對(duì)其進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)自身移動(dòng)數(shù)據(jù)向定位基站的傳輸，如圖4所示。

圖4 定位標(biāo)簽與無線定位通訊單元電路圖

3.3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

采用Keil5對(duì)該定位系統(tǒng)軟件進(jìn)行軟件開發(fā)，開發(fā)語言主要為C語言，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)定位系統(tǒng)中嵌入式程度的開發(fā)，開發(fā)程序包括基站及標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)中的驅(qū)動(dòng)程序。本軟件系統(tǒng)包括上層應(yīng)用程序?qū)?、DW1000固件庫層、DW1000設(shè)備驅(qū)動(dòng)層及DW1000物理集成電路層等，其框架示意圖如下頁圖5所示。其中，上層應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)采用TX和RX接口進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)層中寄存器信息的讀取，獲得準(zhǔn)確的人員位置、距離等重要信息，通過SPI接口對(duì)固件層進(jìn)行控制。考慮基站與標(biāo)簽之間主要通過信號(hào)的相互交換來實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)定，故此驅(qū)動(dòng)軟件中設(shè)計(jì)DW1000芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收或發(fā)送，可保證整個(gè)控制邏輯的正確性及合理性。

4 人員定位系統(tǒng)的測(cè)試

圖5 定位系統(tǒng)軟件框架圖

為進(jìn)一步掌握井下人員定位系統(tǒng)的綜合性能，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了為期6個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，主要對(duì)該系統(tǒng)的人員定位功能、安全報(bào)警功能、考勤功能、定位數(shù)據(jù)保存功能等方面進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)。該系統(tǒng)的登錄界面如圖6所示。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行正常，能對(duì)人員的具體位置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，定位精度較高。當(dāng)井下人員出現(xiàn)工作時(shí)間超時(shí)、進(jìn)入危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)、系統(tǒng)發(fā)生異常故障等現(xiàn)象時(shí)，該系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的安全報(bào)警，并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)保存。在考勤方面，該系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了根據(jù)需要生成日、月考勤表，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人員的考勤。另外，該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅提高了井下人員的作業(yè)安全，也減輕了企業(yè)綜合管理部門及安全管理部門人員的工作強(qiáng)度，系統(tǒng)整體運(yùn)行達(dá)到了預(yù)期效果，滿足了井下人員的定位及安全報(bào)警需求，實(shí)現(xiàn)了井下的智能化管理。

圖6 系統(tǒng)登錄界面

5 結(jié)語

完成礦井中人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)井下智能化管理及建設(shè)的重要基礎(chǔ)。未來，基于以太網(wǎng)及5G通訊技術(shù)的系統(tǒng)建設(shè)，將是井下定位系統(tǒng)不斷發(fā)展的重要方向。保證所建立的人員定位系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，是有效保證人員及井下工作面安全的關(guān)鍵。