一種基于ZigBee無線通信的新型智能語音礦燈

關丙火 傅陽

1.神華神東煤炭集團有限責任公司工程師 陜西榆林 719300

2.深圳市翌日科技有限公司產(chǎn)品經(jīng)理 廣東深圳 518000

隨著我國科技水平日益提高，地下資源勘測技術越來越成熟，對于開采技術的要求也越來越高，部分礦井開采深度和范圍都在逐步擴大，需要耗費大量的人力、物力；在開采過程中復雜的地形和閉塞的空間，是非常危險的，出現(xiàn)了的一些難以避免的人員傷亡給下井人員帶來了巨大的傷害和壓力，因此專門針對這一現(xiàn)象提出一套礦燈解決方案，可以有效減少災難對人員帶來的傷害[1]。礦燈屬特殊型防爆產(chǎn)品，管理不妥會誘發(fā)的瓦斯煤塵爆炸事故[2]。近些年人們對于安全的重視度明顯提高，因此增大了很多智能設備的應用力度，來保證下井作業(yè)人員的人身安全，最大限度減少損失。

礦井下環(huán)境惡劣，礦燈是下井作業(yè)人員的必備設備，用于日常工作的照明，同時還需要佩戴其他安全設備來保障人身安全，因此需要攜帶的設備往往較多，對作業(yè)人員來說極為不便，同時有些設備因碰撞容易造成損壞。佩戴設備中往往沒有通話功能，遇突發(fā)狀況很難做到及時與地面聯(lián)系或向就近的同事求助。因此，針對類似問題進行了專項研究，自主研發(fā)了新型智能語音礦燈，具有體積小，功能齊全，人員佩戴方便的特點，同時可以與地面管理人員實現(xiàn)雙向通話，及時溝通以解決突發(fā)狀況，可以有效的預防災難的發(fā)生。

1 現(xiàn)有礦燈現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟的繁榮和社會的進步，人們對于人身安全越來越重視，因此采購了大量設備來確保下井人員人身安全。礦燈作為井下日常照明使用，是下井設備中最為常見的設備。然而，每個下井人員佩戴礦燈的同時，還有其他眾多的設備需要佩戴。給生命安全帶來保障的同時也給身體增加了不少負擔，降低了工作效率。對于特定的設備，還需要進行分類管理以防相互碰撞造成損壞。因此，繁重的設備和費神的設備管理，給人員下井作業(yè)帶來了極大的不便。

目前市場上的礦燈功能單一，只能用作照明用途，再無其他功能。每次下井礦燈剩余電量信息無法掌握，且體積笨重，及其不方便作業(yè)，對于下井作業(yè)人員來說有很大的負擔。部分礦燈產(chǎn)品可根據(jù)人員活動范圍自動控制照明燈亮滅，一定程度上能減少電量消耗實現(xiàn)節(jié)能，但不能解決亮度、電容容量和復雜的需求[3]。

2 智能語音礦燈優(yōu)勢

本設備智能語音礦燈主要集成了照明、定位、語音通話三大功能，機身體積小，便于攜帶，正常照明使用可達20小時以上，充分滿足了下井作業(yè)人員的需求。智能語音礦燈采用了錳酸鋰電池作為電源，具有免維護、能量高、壽命長、重量輕、無液漏、無污染、無爆炸不起火、安全可靠等特點。

礦燈集成ZigBee定位、ZigBee語音、聲光報警、燈線閃燈、工種標識燈、運動傳感器等多個功能，減少礦工攜帶物品數(shù)量，提高工作效率。實物如圖1。

2.1 照明功能

礦燈的照明功能為主要功能，是下井作業(yè)人員日常工作的核心用途。主要用途：用于礦山、石油、化工、鐵路、運輸、倉儲等存在易燃易爆可燃氣體的環(huán)境中安全照明、搶險救災照明。在煤礦井下、隧道及各種地下工程、人防工程等場合發(fā)揮著重要的作用。

燈頭部分采用新型的LED半導體照明作為光源，具有不發(fā)熱，能耗小，發(fā)光效率高，壽命長（達到5萬小時以上），安全可靠等特點。色溫在9000-10000K，光線溫和不刺眼。燈頭內(nèi)采用了不同亮度的雙LED的光源，可以通過四檔開關轉換使用，主光源照度1800Lm并一直保持到20小時以上，輔光源照明時間可達60小時以上，比較符合礦井下作業(yè)使用需求。與老式礦燈比較，智能礦燈的照明光線更能保護眼睛，不刺眼，且功耗低可以使用更長時間[4]。

智能語音礦燈選用超大容量電池，保證礦燈的使用時間。在照明模式下可使用超過18小時，其他模式可以使用24小時以上。在電池電量過低，無法提供照明時，電池剩余電量仍可使發(fā)光燈線持續(xù)工作。在發(fā)生礦難情況下，礦燈電池被消耗過度，無法提供照明時，可以提供自身位置信息，使營救人員可以及時準確的查詢使用者位置并進行營救，以此保證使用者的生命安全。

2.2 定位功能

定位芯片選用NXP公司最新推出的集成芯片，芯片上 JN5168無線微控制器兼容 IEEE802.15.4無線協(xié)議，因此完成芯片正常工作所必要的外圍電路即可以實現(xiàn)測距、通信等功能，采用低功耗型ZigBee網(wǎng)絡技術，使用TOF定位技術實現(xiàn)對礦燈進行精確定位，400米的測距數(shù)據(jù)精度可控制在3m以內(nèi)。同時，可通過改進軟件和優(yōu)化定位算法，進一步減小定位誤差。

眾所周知，礦井下屬于地表下部環(huán)境，厚厚地表層，使得手機網(wǎng)絡無法使用。因此礦井下就是典型的環(huán)境未知地帶，使得人們的活動難以控制，人身安全很難得到保證。所以礦井下利用ZigBee網(wǎng)絡技術，通關布設相應的基站，從而組成一套完整的通訊網(wǎng)絡，人員身上佩戴的礦燈，通過TOF定位技術對人員的位置進行精確定位[5]，利用對應的基站把相應的數(shù)據(jù)傳輸?shù)江h(huán)網(wǎng)再到地面，配合上層軟件“煤礦人員管理系統(tǒng)”的使用和處理，從而將人員實時位置、人員運動軌跡、活動時間顯示在電腦上，同時還可以為客戶進行定制化服務，滿足特殊要求。實時獲取礦下人員的相關信息，方便井上管理人員及時發(fā)布危險預警信號和對人員的合理調(diào)度；另外一旦發(fā)生事故，可使救治工作以最快的速度有效展開，最大限度地減少災害損失[6]。定位系統(tǒng)極大方便了管理人員，對整個礦井管理有了質(zhì)的提升。

定位技術采用了JN5168低功耗ZigBee專用芯片，定位的誤差距離可以控制在3m以內(nèi)，在礦井下可以穩(wěn)定接收發(fā)射ZigBee信號，保證信號穩(wěn)定有效。

2.3 語音功能

智能語音礦燈利用煤礦人員管理系統(tǒng)，使用ZigBee網(wǎng)絡技術，再結合Freeswitch電話交換平臺可以實現(xiàn)與調(diào)度臺雙向語音。實現(xiàn)礦燈對調(diào)度臺的一鍵式呼叫和調(diào)度臺對礦燈的緊急呼叫，雙方可以互相實現(xiàn)實時通話，遇突發(fā)情況可以及時溝通解決。

在礦燈正常使用時此功能不工作，以節(jié)省電力，保證電池的續(xù)航。當井下作業(yè)人員與地面管理人員使用調(diào)度臺相互通信時，啟動相應功能，井下人員可以一鍵呼叫調(diào)度臺，同時調(diào)度臺可以撥打礦燈佩戴人員對應的號碼進行呼叫[7]。礦燈通過搭配智能網(wǎng)關系統(tǒng)，結合Freeswitch電話交換平臺，可以利用SIP協(xié)議與市場上大部分IP電話進行相互通信；另外，礦燈采用低靈敏度麥克風對聲音進行采集，以保障人員說話聲音不被周圍嘈雜環(huán)境影響，保障通話質(zhì)量，同時礦燈的外側面設計了擴音喇叭，增大通話音量以保障作業(yè)人員可聽到對方聲音。語音信息鏈路拓撲如圖2所示。

語音通話電路的主控芯片采用ZigBee專用芯片CC2530，搭配AMBE1000+FM1188GE方案實現(xiàn)語音通話。

AMBE1000芯片專門對語音數(shù)據(jù)進行編碼和解碼，將語音數(shù)據(jù)壓縮，減少占用內(nèi)存，方便主控芯片對語音信號進行處理。FM1188GE芯片設置外設電路以及軟件方式將喇叭信號輸入MIC信號中，軟件算法消除回聲，同時精密調(diào)配MIC采集電路，使MIC效果達到最好，芯片為全雙工，在通話時可同時發(fā)射與采集音頻信號。通過R14、C49、R30、C47、R13鏈路，可以將喇叭的聲音回傳至芯片，利用軟件算法將回聲信號濾波消除，使得喇叭在通話對方不會聽到自身回聲，影響通話效果。

MIC部分通過精密電容匹配網(wǎng)絡使得MIC效果得到最好，采集到較為清晰的人聲，有效減少環(huán)境聲音。

2.4 聲光報警功能

在礦燈殼體的外側配備有蜂鳴器，用礦燈上爆閃燈的閃爍進行撤離報警提示，同時在礦燈線上設置有報警指示燈，進一步強化提示報警功能[8]。

在礦井下嘈雜的環(huán)境中采用聲音和光線兩種報警方式，加強了報警的提示作用，使得井下作業(yè)人員可以及時得到警報提示，及時做出判斷進行撤離，以最快速度解決問題，保障自身安全。

聲音報警采用蜂鳴器方式起到警示的作用，在保證聲音足夠大的情況下盡量保證較低的功耗。蜂鳴器具有質(zhì)量輕，體積小，價格便宜，電路較為穩(wěn)定等特點；但是在礦井下嘈雜的環(huán)境中，長期的噪音有時會讓人的聽覺變的不靈敏，往往單獨采用聲音報警不能完全確保給到工作人員報警信號。因此，出現(xiàn)了采用聲音加光線的報警方式，光線可以給人直觀反映，礦井下環(huán)境較為黑暗，有了光線團隊一起作業(yè)時，可以相互提醒指示，可以對使用者的人身安全發(fā)揮更大的作用。光線報警采用低功耗LED燈珠作為光源，具有發(fā)光角度小，使用壽命長的特點，光線使用環(huán)保PVC透明材料做成的導光燈線引導光線，整個燈線側面可以發(fā)出不同顏色，起警示作用。此燈線有柔軟、耐彎折、使用壽命長等特點，燈線從機身引出纏繞在燈頭供電的線路中，可以發(fā)出較顯眼光線。

采用全新的聲光報警方式，在井下發(fā)生事故時也可使用，在電量極低情況下可以自動轉為常量效果，用紅色發(fā)光指示自身位置，使作業(yè)人員能盡快得到救援。

2.5 保護功能

在礦下復雜的環(huán)境中，當?shù)V燈因短路而引起起火事故時，對貼身物品和使用者造成極大危害。為了避免此類事故，給礦燈增加了短路保護功能。礦燈電源電路加裝礦燈短路保護器，動作靈敏可靠，當?shù)V燈發(fā)生短路時，能在15ms內(nèi)切斷礦燈電源，保證了使用安全。當短路排除后，只需須對礦燈正常充電上后即可再次使用。這樣既可以有效保護使用者的安全，同時也防止了電池因后端電路故障而引起的自燃、爆炸等意外事故[9]。

2.6 工種識別功能

井下作業(yè)人員由不同工種組成，完成一項任務往往需要多個工種人員一起協(xié)作完成。在昏暗且灰塵比較大的環(huán)境中，辨認施工人員的工種較為困難。智能語音礦燈在燈頭上集成了工種識別功能，以燈頭上等的顏色作為識別信號，一種顏色代表一個工種。燈頭發(fā)光燈采用低功耗LED節(jié)能燈珠，燈珠采用霧狀燈珠，燈珠發(fā)光角度大，對眼睛刺激小，適合用作提示源。燈光以最小系統(tǒng)進行控制，不間斷閃爍，不但可以減少耗電，還可以有效的起到提示的用途。燈珠外殼采用透明保護罩，隔離外部異物的同時還有防水作用。

此功能便于管理人員進行管理，方便團體作業(yè)，易于識別自己工作團隊。提高礦工井下工作的安全性。

2.7 運動檢測功能

井下人員的活動軌跡反映著作業(yè)人員的工作狀態(tài)。智能語音礦燈集成了運動檢測功能，根據(jù)對礦燈芯片運動數(shù)據(jù)收集處理，調(diào)度中心可以通過系統(tǒng)管理界面清晰地了解每個礦燈的運動情況[10]。當人員長期靜止不動時，報警提醒調(diào)度中心，有效加強人員安全管理，提高工作效率。同時，可通過本礦燈進行語音通話，以第一時間了解情況，若人員遇突發(fā)狀況，調(diào)度臺可在最短時間內(nèi)對人員進行施救，減少災難發(fā)生。

3 智能語音礦燈結構特性

結構概述：

燈如圖3主要由燈頭組件如圖4、電池槽組件如圖5兩部分組成。燈頭組件區(qū)別于普通礦燈主要在于：在燈頭頂部增加了一個爆閃燈，用螺絲將爆燈及透明鏡片固定在燈頭殼體上；此燈可根據(jù)不同工種設置成不同顏色，在緊急情況下可以不停閃爍從而達到警示目的；電池槽組件結構如上圖所示：裝配時先將喇叭打膠固定于電池槽底殼，然后將底板PCB用螺絲固定于電池槽底殼底部，再將語音PCB、定位PCB通過排針插座插入底板PCB上；接著放入電池，然后用電池槽中框壓住PCB板卡、電池，再蓋上電池槽上蓋，LED發(fā)光燈線板、蜂鳴器、咪頭預先固定在上蓋中。

4 結語

本設備相比傳統(tǒng)礦燈具備了符合現(xiàn)代智能使用場景的強大功能。搭配上層的管理系統(tǒng)可以大大方便地面工作人員的管理，同時可以對礦燈佩戴人員進行實時監(jiān)控，在遇到突發(fā)狀況時第一時間可以進行語音溝通，解決問題，對隱患地方提前或及時了解從而做出相應動作，達到有效預防災難發(fā)生的目的，增強對下井作業(yè)人員的人身保護。另外，方便在井下昏暗和多塵的環(huán)境進行工種的識別和管理；在意外情況發(fā)生時候通過聲光報警的形式可快速把消息擴散，達到警示和提醒的作用。雖然礦燈增加了很多功能，但是本身重量沒有增加太多，因此能減少作業(yè)人員的負擔，極大地提高工作效率。本智能語音礦燈，既具備了智能應用的優(yōu)勢，又兼?zhèn)淞说V用燈大容量電池和光線足的實用本質(zhì)，順應了當下對智慧煤礦的號召。