鄭孝磊

（潞安礦業(yè)集團(tuán)古城煤礦，山西 長治 046000）

煤礦職工身上僅有的一盞礦用燈具已無法適應(yīng)礦井生產(chǎn)的需要，為了提高礦井作業(yè)人員的安全，應(yīng)增設(shè)瓦斯超限探測(cè)系統(tǒng)，以達(dá)到保障煤礦工人生命安全的目的。需實(shí)現(xiàn)精確定位，為了確保在意外情況下對(duì)被困的人進(jìn)行準(zhǔn)確的位置和追蹤，確保了救援的時(shí)間。礦燈多用途化的研究成果：法國開發(fā)了一種裸鉑感應(yīng)器，可以對(duì)煤礦瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；俄羅斯已批量生產(chǎn)和使用的瓦斯超限報(bào)警礦燈，用于煤礦安全生產(chǎn)；中國煤炭重慶研究所開發(fā)的礦井瓦斯超限報(bào)警礦燈等。無線射頻掃描和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位是煤礦人員定位的主要手段。無線射頻掃描儀需要配備獨(dú)特的識(shí)別卡、讀卡器，在井下作業(yè)人員帶著識(shí)別卡通過讀卡器時(shí)，讀卡器會(huì)自動(dòng)讀出識(shí)別卡，并將其上載到地面監(jiān)測(cè)中心。但是該方法的缺陷是容易出現(xiàn)漏識(shí)別，且識(shí)別的范圍較小，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性差，抗干擾能力弱。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位需要設(shè)置大量的定位裝置和照明設(shè)備，并形成自組織網(wǎng)，但是由于定位距離太短，不能廣泛地在復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中使用。本文介紹了一種基于人員定位技術(shù)的礦井照明系統(tǒng)，它通過有線+無線的方式對(duì)井下工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)的追蹤和定位，并在突發(fā)事件中及時(shí)發(fā)出求救信號(hào)，提高礦井工人的安全保護(hù)能力。

1 智能礦燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

本文介紹了一種新型的礦燈智能系統(tǒng)，它包括四個(gè)主要模塊：燈本體系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)。礦燈主體系統(tǒng)采用STC15W408AS 作為中央處理器，通過CC1101RF 無線傳輸模塊，向定位系統(tǒng)傳輸瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)。在定位系統(tǒng)中，CC1101 射頻接收模塊通過STC15W408AS 進(jìn)行CPU 處理，將其作為HL-PLC 功率載波通訊方案發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。通過CAN 通訊方式，將采集到的數(shù)據(jù)傳送給地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯?jié)舛群腿藛T實(shí)時(shí)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。除了HL-PLC 的電力載波通訊之外，定位和數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)的通訊方式也可以采用無線通訊方式，以解決有線傳輸系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的緊急通訊問題。該系統(tǒng)采用433MHz的無線通訊技術(shù)，可在空間狹窄、障礙物多、干擾強(qiáng)烈的情況下，實(shí)現(xiàn)安全可靠的通訊，并可滿足礦井智能照明系統(tǒng)中的小數(shù)據(jù)傳輸、自組網(wǎng)空間大等問題。該系統(tǒng)在不需要附加額外硬件設(shè)施的情況下，使用了一種以檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度為基礎(chǔ)的位置算法。通過CAN 總線通訊，數(shù)據(jù)傳送和地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳遞，確保人員定位數(shù)據(jù)和瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的穩(wěn)定、可靠[1]。見圖1。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品采用STCSTC15W408AS作為其核心硬件芯片，具有低速、空閑、斷電/關(guān)機(jī)三種工作方式，功耗低，可確保礦燈連續(xù)工作8h，保證穩(wěn)定的照明。STC15W408AS 芯片具有高的運(yùn)算速度、高時(shí)鐘精度和寬廣的工作頻率范圍，具有遠(yuǎn)程喚醒功能，片內(nèi)資源豐富，可實(shí)現(xiàn)智能化礦燈的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用CC1101RF超低功率單片機(jī)，功率消耗在10mA 左右，工作頻率433MHz，在100~500m范圍內(nèi)進(jìn)行無線通訊。

選擇了MC112 催化燃燒氣體濃度傳感器，它在探測(cè)到瓦斯時(shí)，其內(nèi)部的電阻會(huì)迅速增加，并且與探測(cè)到的瓦斯?jié)舛瘸示€性關(guān)系，隨著瓦斯?jié)舛鹊脑黾?，輸出信?hào)的數(shù)值也隨之增加。MC112 瓦斯?jié)舛葌鞲衅髟?0s內(nèi)的響應(yīng)和30s的恢復(fù)速度，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。瓦斯?jié)舛葯z測(cè)電路是由催化燃燒氣體濃度傳感器組成的。見圖2。

圖2 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)電路

本文的智能化礦井照明控制電路主要由模擬信號(hào)放大電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、聲光報(bào)警電路、礦燈控制電路、電源管理電路、蓄電池電壓檢測(cè)電路、CAN 通訊線路等組成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 礦燈系統(tǒng)軟件

礦燈智能控制系統(tǒng)的軟件主要有：氣體濃度采集程序，聲光報(bào)警程序，礦燈自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式程序，礦燈多系統(tǒng)自動(dòng)構(gòu)成工作方式，可實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛炔杉?、聲光?bào)警、礦燈單/多系統(tǒng)自組網(wǎng)等多種功能。在Keil軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，使用C 語言實(shí)現(xiàn)了模塊化的編程思路。

3.2 定位系統(tǒng)軟件

本軟件主要實(shí)現(xiàn)了礦井燈光的無線接收和人員的位置控制。利用RSSI技術(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，利用實(shí)測(cè)的模型曲線作為參考，利用無線信號(hào)強(qiáng)度，確定了兩個(gè)點(diǎn)之間的準(zhǔn)確距離。所述曲線的橫軸是兩點(diǎn)之間的無線電信號(hào)強(qiáng)度，縱軸是從觀測(cè)點(diǎn)到觀測(cè)點(diǎn)之間的距離。本實(shí)用新型的礦燈定位原理顯示在圖3中，它包括一盞礦燈、三個(gè)定位系統(tǒng)，它記錄了礦燈本身的位置信息。當(dāng)所述礦燈向鄰近的三個(gè)鄰近位置系統(tǒng)發(fā)送無線電信號(hào)之后，所述位置系統(tǒng)將所述無線電信號(hào)的強(qiáng)度值S1、S2、S3記錄，并且測(cè)量所述礦燈距離L1、L2、L3。每一個(gè)定位系統(tǒng)都向兩個(gè)鄰近的定位系統(tǒng)發(fā)送自己的S、L和坐標(biāo)信號(hào)。在兩次采集到相鄰位置的數(shù)據(jù)后，各位置系統(tǒng)將三盞燈光的位置進(jìn)行比較和排列，用l最小的定位系統(tǒng)依據(jù)空間幾何學(xué)的方法進(jìn)行實(shí)際坐標(biāo)的計(jì)算，通過HL-PLC的功率載波法向該數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸。

圖3 智能礦燈人員定位原理

為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定、可靠，本系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)之間的通訊協(xié)議均采用表格1所示的數(shù)據(jù)傳輸定義格式，其中包含幀頭、命令、數(shù)據(jù)長度、命令級(jí)別，礦燈ID，三個(gè)鄰近的位置系統(tǒng)ID，礦燈X/Y坐標(biāo)，礦燈所測(cè)量的瓦斯?jié)舛戎?，瓦斯?bào)警狀態(tài)，人員位置值等。

表1 智能礦燈定位系統(tǒng)有線/無線數(shù)據(jù)傳輸格式定義數(shù)據(jù)表

4 系統(tǒng)測(cè)試應(yīng)用

4.1 能耗測(cè)試

本產(chǎn)品采用的電池，需要11h 連續(xù)發(fā)光，需要進(jìn)行能量消耗試驗(yàn)。能量消耗檢測(cè)電路包括一塊4000mAh的電池、示波器、10Ω電阻和礦燈，一次試驗(yàn)10盞，測(cè)試工作周期為15min，每盞礦燈工作5min；用示波器對(duì)所設(shè)計(jì)的智能礦燈的功率消耗進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，并給出了功率消耗測(cè)試電路的原理圖（見圖4）。

圖4 能耗測(cè)試電路示意圖

從能量消耗試驗(yàn)資料表2中可以看出，每臺(tái)礦燈的待機(jī)功耗為39mA 左右，1min 的功耗大約為62mA，以11h 的工作時(shí)間計(jì)算，10 盞礦燈的總功耗為31350mA;符合設(shè)計(jì)的礦燈蓄電池電量[2]。

表2 10組礦燈能耗測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（單位：mA）

表3 人員定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

4.2 瓦斯?jié)舛葴y(cè)試

每隔50m 布置一套模擬瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控點(diǎn)、一套定位系統(tǒng)和一盞礦燈，通過電纜連接到數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面監(jiān)視系統(tǒng)。在檢測(cè)過程中，三盞礦燈和三套定位裝置依次打開，將瓦斯排放到任意一處封閉的區(qū)域，由微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而得到該區(qū)域的瓦斯?jié)舛茸兓闆r；在瓦斯?jié)舛瘸^極限時(shí)，報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，其試驗(yàn)曲線見圖5。

圖5 瓦斯?jié)舛葴y(cè)試曲線

4.3 人員定位測(cè)試

在進(jìn)行人工定位試驗(yàn)時(shí)，礦燈的實(shí)際位置在（50、0）~（500、0）之間，每隔50m 放置一盞礦燈，共計(jì)10 組。利用RSSI法和空間幾何學(xué)的方法，計(jì)算出了礦燈的位置坐標(biāo)，并與礦燈的實(shí)際位置進(jìn)行了比較，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。經(jīng)過10個(gè)試驗(yàn)，其誤差在1.6~3.1m之間。

5 結(jié)論

（1）該系統(tǒng)采用STC 15W408AS 低功率單片機(jī)為核心，采用傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦瓦斯?jié)舛?、人員位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控；利用定位系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井瓦斯?jié)舛群腿藛T實(shí)時(shí)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)的目的。

（2）建立一個(gè)智能化的礦燈測(cè)試場(chǎng)景，完成能源消耗測(cè)試、氣體濃度測(cè)試和人員位置測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：①本發(fā)明的礦燈能量消耗小，可實(shí)現(xiàn)待機(jī)、體眠、空閑、工作4種工作方式的無縫切換，確保8h內(nèi)的光照時(shí)間；②可實(shí)現(xiàn)礦燈位置瓦斯的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將其位置的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)了瓦斯?jié)舛鹊某揞A(yù)警；③該礦燈能在礦井內(nèi)進(jìn)行人員的位置定位，其位置誤差在1%以內(nèi)。

（3）該礦燈可實(shí)現(xiàn)井下照明、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)、人員定位等功能，為礦井提高災(zāi)害預(yù)警、提高礦井安全管理水平提供了有益的借鑒。