一種新型報(bào)警礦燈

關(guān)丙火 傅陽(yáng)

1.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)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

傳感器技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，礦燈產(chǎn)品不斷小型化，礦燈的多功能化成立必然趨勢(shì)。部分礦井開采深度和范圍都在逐步擴(kuò)大，需要耗費(fèi)大量的人力、物力，在開采過程中，有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。

礦燈是井下應(yīng)用最多的防爆電氣設(shè)備之一, 其使用性能和安全性能影響著礦工的勞動(dòng)強(qiáng)度和煤礦的安全生產(chǎn)。現(xiàn)有的報(bào)警方式一般采用傳統(tǒng)的聲音報(bào)警，有突發(fā)狀況會(huì)有報(bào)警聲音，提示作業(yè)人員撤離，或作業(yè)人員自救；但有些礦井下環(huán)境較為惡劣，周圍聲音嘈雜，作業(yè)人員工作時(shí)很難注意到報(bào)警聲音，從而錯(cuò)過撤離和救助的最佳時(shí)機(jī)，導(dǎo)致災(zāi)難發(fā)生[1]。

1 現(xiàn)有報(bào)警現(xiàn)狀

在報(bào)警提示功能方面，一般采用聲音和光兩種報(bào)警方式，非常直觀。而在礦井下這個(gè)特殊的環(huán)境，礦井下相對(duì)比較封閉，而且設(shè)備鋪設(shè)原因，無(wú)法提供太多光線，比較黑暗，下井作業(yè)人員需要自己佩戴礦燈，作為照明使用。大環(huán)境中單采用環(huán)境光線報(bào)警方式不適合。

傳統(tǒng)的礦燈光源使用白熾燈，很多部分的能量是不可見光，發(fā)光效率低且壽命短，而且其高溫的發(fā)熱燈絲可達(dá)2000℃，在礦井環(huán)境中是個(gè)巨大的不穩(wěn)定因素。LED燈工作時(shí)表面溫度最高40℃，而且壽命長(zhǎng)。

在礦井環(huán)境中，下井作業(yè)人員身上一般都要佩戴報(bào)警設(shè)備有礦燈、自救器、甲烷報(bào)警裝置和人員定位儀等多個(gè)設(shè)備，讓作業(yè)人員第一時(shí)間得到報(bào)警信息，以最快速度做出反應(yīng)，保證自身安全[。生命是珍貴的，不僅個(gè)人重視安全問題，國(guó)家也出臺(tái)了許多相關(guān)政策以及硬性要求，以此來保證下井作業(yè)人員的安全，1987年頒布的GB7957-87《礦用安全帽燈》標(biāo)準(zhǔn)中即規(guī)定“礦燈應(yīng)安裝短路保護(hù)裝置”。對(duì)于礦燈企業(yè)，單靠低價(jià)格進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)是沒前途的，在這個(gè)全民重視安全性的環(huán)境中，提高產(chǎn)品的不可替代性，增加產(chǎn)品功能和性能十分的必要[2]。

2 智能語(yǔ)音礦燈報(bào)警優(yōu)勢(shì)

在現(xiàn)有信息化礦燈基礎(chǔ)上，新增了聲光報(bào)警，采用雙重保險(xiǎn)。在突發(fā)情況下有光源標(biāo)定自己的位置，讓作業(yè)人員相互警示，及時(shí)收到異常情況信息，保護(hù)自己。

聲光報(bào)警裝置隱藏在礦燈內(nèi)部，不會(huì)因增加功能而導(dǎo)致礦燈本身體積增加，以減少使用者負(fù)擔(dān)，聲光報(bào)警的驅(qū)動(dòng)電路集成在本身內(nèi)部板卡之中，利用引線將發(fā)聲、發(fā)光裝置加長(zhǎng)，利用膠體、螺絲將其固定。發(fā)光燈線本身位于電池槽與燈頭之間的連接線內(nèi)部，外部有PVC材料做成的透明軟保護(hù)套，由于連接位置采用黑色保護(hù)套能夠有效利用光源，還有保護(hù)和固定的作用，保護(hù)燈線不會(huì)被外力破壞，在保護(hù)套里面有4根獨(dú)立的發(fā)光燈線，平均分布在兩側(cè)，樣使得光線發(fā)散的更加均勻，同時(shí)增加光線的亮度增大被發(fā)現(xiàn)的可能性；另外多根光纖設(shè)計(jì)，在部分光纖因長(zhǎng)期使用損壞時(shí)，留作備用[3]。光線報(bào)警實(shí)物參考如圖1。

圖1 光線報(bào)警3D圖

2.1 聲音報(bào)警功能

聲音報(bào)警采用蜂鳴器來播報(bào)，這樣功耗低，因?yàn)榈V燈本身電量有限，采用蜂鳴器低功耗元件來進(jìn)行報(bào)警，加之本身體積小，質(zhì)量輕僅有0．5g，低電壓即可驅(qū)動(dòng)，同時(shí)聲音可以達(dá)85dB，因此在小范圍內(nèi)是可以有效起到報(bào)警提示作用。

聲音報(bào)警在日常使用過程中是不工作的，可以減少對(duì)礦燈本身電源的功耗，以保證礦燈的使用時(shí)長(zhǎng)，因聲音報(bào)警部分在礦燈上，當(dāng)下發(fā)撤離或求救時(shí)，可以讓人相對(duì)明顯聽到提示音，在嘈雜環(huán)境中也有一定效果，可以大限度的提示和保護(hù)使用者[4]。

2.2 光線報(bào)警

光線報(bào)警采用低功耗紅色LED燈珠作為光源，使用光纖，將光線引導(dǎo)出去，由于光纖傳導(dǎo)效率較高，在燈線的長(zhǎng)度范圍內(nèi)基本都可以均勻的點(diǎn)亮，起到預(yù)警作用。

光源采用低功耗高亮的LED燈珠，燈珠有功耗低、開關(guān)速度快、開關(guān)次數(shù)多、壽命長(zhǎng)燈等特點(diǎn)，功耗低可以保證礦燈本身照明時(shí)間夠長(zhǎng)，同時(shí)LED選用高聚光，亮度高的白發(fā)紅燈珠，因此能夠有效利用光源。

燈線采用阻燃PVC透明材料，本身為圓柱形，質(zhì)地柔軟，可以彎折，耐拉伸，不易折斷，一端有光源照射進(jìn)入，內(nèi)部本身可以進(jìn)行導(dǎo)光，并通過側(cè)面發(fā)生光源，由于光纖本身特性，在燈線的長(zhǎng)度范圍內(nèi)基本都可以均勻的點(diǎn)亮，因此能夠較好的起到預(yù)警作用。

連接部位采用阻燃PVC黑色材料，本身不具有透光性，本身黑色材料阻止光線外漏，將光源有效的引導(dǎo)進(jìn)入燈線中，提高光源利用率。所有材料均使用PVC材料，無(wú)污染，對(duì)人體無(wú)害，非常環(huán)保，且阻燃。

光線報(bào)警采用醒目的紅色，以最大限度提醒使用者，且本部分在不發(fā)光時(shí)，使用開關(guān)器件關(guān)斷了電源，所以功耗非常底。如若發(fā)生礦難情況，在本身礦燈電池電量過低，不足以使礦燈正常工作時(shí)，仍然可以使本部分電路發(fā)生，使使用者容易被發(fā)現(xiàn)，方便救援人員及時(shí)施救。

圖2 發(fā)光燈線卡原理圖

綜上，由于光，特別是紅色光源容易被發(fā)現(xiàn)，可較大限度的增加在意外情況被發(fā)現(xiàn)的概率，能夠提高被救援的概率，因此利用光線報(bào)警將會(huì)是一個(gè)較好的選擇。

2.3 主控MCU

聲光報(bào)警器主控MCU采用低功耗ZigBee專用的JN5168芯片，核心微處理器選用JN5168單芯片，該芯片工作電壓為工作電流 17． 5 mA。它內(nèi)部集成32 M的32 bit CPU，內(nèi)部RAM容量最大32 K bit，內(nèi)部FLASH容量最大256 K bit，擁有2路串口、20個(gè)普通IO管腳、42．0V～3．6V，輸出最大射頻功率2．5dBm，工作頻率為2400MHz～2483MHz，最小休眠電流為0．7uA，最大路ADC、1個(gè)定時(shí)器和1個(gè)看門狗等功能。因?yàn)镴N5168片上已經(jīng)包括TOF引擎，能夠直接進(jìn)行測(cè)距，因此，以JN5168為核心的硬件電路只需要設(shè)計(jì)芯片正常工作必要的外圍電路。LED發(fā)光燈線電路板的尺寸為20＊40mm，具體尺寸形狀如圖3所示。

JN5168芯片不僅可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定 位功能，還可以對(duì)外圍電路進(jìn)行控制，控制電平為通用3．3V，便于移植，適用性強(qiáng)。

3 結(jié)論

圖3 礦燈LED板尺寸

本設(shè)備礦燈與傳統(tǒng)礦燈相比，在功能上，保持了以往的聲音報(bào)警，并在此基礎(chǔ)上增加光線報(bào)警裝置，由于光線報(bào)警的特性，能夠直接通過眼睛被觀察到，因此在嘈雜的作業(yè)環(huán)境中可通過可以提高作業(yè)人員警惕性，有效地將報(bào)警信息傳達(dá)至作業(yè)人員，較大的提高了被救援的概率，同時(shí)，能夠有效的將異常信息傳遞給其他工作人員，提升他們發(fā)現(xiàn)異常情況的概率。礦井下環(huán)境相對(duì)黑暗，采用紅色光線進(jìn)行報(bào)警，可明顯提示作業(yè)人員。升級(jí)報(bào)警系統(tǒng)可有效提升報(bào)警質(zhì)量，有效讓作業(yè)人員察覺，從而減少災(zāi)難的發(fā)生。