基于瓦斯監(jiān)測(cè)和人員定位智能礦燈設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李玉鳳

(山西焦煤西山煤電斜溝礦，山西 呂梁 033602)

0 引 言

礦工隨身佩戴的礦燈單一的照明功能已經(jīng)不能滿足井下工人日常作業(yè)要求，為增強(qiáng)井下作業(yè)工人的安全性，需增加瓦斯超限檢測(cè)功能，提前預(yù)警保護(hù)礦工人身安全；需增加人員定位功能，保證事故發(fā)生后有效定位并跟蹤井下被困人員，保證救援及時(shí)。礦燈多功能化研究成果典型代表有：法國(guó)研發(fā)的裸鉑絲傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井瓦斯?jié)舛龋欢砹_斯量產(chǎn)并實(shí)際應(yīng)用的瓦斯超限報(bào)警多功能礦燈；中國(guó)煤科重慶研究院研發(fā)的瓦斯報(bào)警礦燈等[1-3]。礦井人員定位以無(wú)線射頻掃描、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位兩種方式為主。無(wú)線射頻掃描方案需配置唯一ID識(shí)別卡、讀卡器，當(dāng)井下工人佩戴識(shí)別卡經(jīng)過(guò)讀卡器區(qū)域后，讀卡器自動(dòng)讀取該ID號(hào)并上傳至地面監(jiān)控中心，缺點(diǎn)為易漏讀識(shí)別卡、識(shí)別有效范圍小、抗干擾能力弱、數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定性差。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方案需布置足夠多的定位系統(tǒng)和礦燈系統(tǒng)并形成自組織網(wǎng)絡(luò)，但定位距離較短，無(wú)法在井下復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下大范圍應(yīng)用[4]。筆者設(shè)計(jì)了一種基于人員定位功能的智能礦燈系統(tǒng)，采用有線+無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)井下工作人員跟蹤定位，并在緊急情況時(shí)可傳送呼救信號(hào)，增強(qiáng)井下作業(yè)人員安全防護(hù)措施。

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

智能礦燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示，由礦燈本體系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及地面監(jiān)視系統(tǒng)四部分組成。礦燈本體系統(tǒng)以STC15W408AS芯片為核心CPU，經(jīng)CC1101RF無(wú)線發(fā)送模塊可將人員位置信息以及該位置的瓦斯?jié)舛戎祩魉徒o定位系統(tǒng)[5]。定位系統(tǒng)內(nèi)部的CC1101RF無(wú)線接收模塊接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)STC15W408AS CPU處理以HL-PLC電力載波通信方案?jìng)魉徒o數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后以CAN通信模式轉(zhuǎn)送至地面監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛?、人員實(shí)時(shí)位置的動(dòng)態(tài)監(jiān)視。定位系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的通信模式除HL-PLC電力載波通信外，還可以以無(wú)線通信模式進(jìn)行傳輸，以解決有線傳輸系統(tǒng)線路出現(xiàn)故障的應(yīng)急通信。無(wú)線通信模式采用433 MHz無(wú)線通信技術(shù)，能夠適應(yīng)井下狹窄空間、障礙物多、干擾性強(qiáng)環(huán)境下的穩(wěn)定通信，滿足智能礦燈數(shù)據(jù)傳輸量小、自組網(wǎng)覆蓋空間大的特點(diǎn)。定位方案采用基于測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度的定位算法，只需測(cè)量信號(hào)的衰減度，無(wú)需增加額外的硬件設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與地面監(jiān)視系統(tǒng)間采用CAN總線通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，保證人員定位數(shù)據(jù)、瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

圖1 智能礦燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能礦燈系統(tǒng)硬件核心芯片為STC公司的STC15W408AS，該芯片具備低速、空閑、掉電/停機(jī)三種工作模式，功耗極低，可保證礦燈照明工作時(shí)間不低于8小時(shí)的要求。STC15W408AS芯片同時(shí)具備運(yùn)算速度塊、時(shí)鐘精度高、工作頻率范圍寬、可遠(yuǎn)程喚醒、片內(nèi)資源豐富的特點(diǎn)，滿足智能礦燈設(shè)計(jì)要求[6-7]。無(wú)線通信模塊選用CC1101RF超低功耗芯片，功耗約為10 mA，工作頻率為433 MHz，傳輸距離為100～500 m。STC15W408AS與CC1101RF芯片的引腳以及連接原理圖如圖2所示。

圖2 智能礦燈主芯片與無(wú)線模塊連接原理圖

選用MC112型催化燃燒式瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，該傳感器檢測(cè)到瓦斯氣體后，內(nèi)部電阻急劇升高[8]，電阻值變化與檢測(cè)到氣體濃度成正比，輸出信號(hào)值隨瓦斯氣體濃度增大而增大。MC112瓦斯?jié)舛葌鞲衅黜憫?yīng)時(shí)間小于10 s，恢復(fù)時(shí)間小于30 s，可靠性、穩(wěn)定性好。瓦斯?jié)舛葯z測(cè)電路如圖3所示，采用催化燃燒式瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌?/p>

圖3 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)電路

智能礦燈系統(tǒng)硬件還包括模擬信號(hào)放大電路、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、聲光報(bào)警電路、電池電壓檢測(cè)電路、礦燈控制電路、電源管理電路、CAN總線通信電路等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 礦燈系統(tǒng)軟件

智能礦燈系統(tǒng)軟件主要包括瓦斯?jié)舛炔杉绦?、聲光?bào)警程序、礦燈單系統(tǒng)自組網(wǎng)工作模式程序、礦燈多系統(tǒng)自組成工作模式程序，完成瓦斯?jié)舛炔杉?、聲光?bào)警、礦燈單系統(tǒng)/多系統(tǒng)自組網(wǎng)功能。上述程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想，基于Keil軟件平臺(tái)，采用C語(yǔ)言完成編寫(xiě)。

3.2 定位系統(tǒng)軟件

智能礦燈定位系統(tǒng)軟件用于完成無(wú)線數(shù)據(jù)接收以及人員定位功能。智能礦燈人員定位采用RSSI算法實(shí)現(xiàn)，以經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ颓€為基準(zhǔn)，通過(guò)檢測(cè)無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度s可確定兩點(diǎn)間的精確距離l。該曲線的橫坐標(biāo)為兩點(diǎn)間無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度，縱坐標(biāo)為測(cè)量點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的距離。智能礦燈人員定位原理如圖4所示，由一個(gè)礦燈、三個(gè)定位系統(tǒng)組成，該三個(gè)定位系統(tǒng)記錄自身坐標(biāo)信息。礦燈發(fā)射無(wú)線信號(hào)至最近的相鄰三個(gè)定位系統(tǒng)后，定位系統(tǒng)記錄該無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度值s1、s2、s3，并測(cè)算礦燈距離l1、l2、l3。每個(gè)定位系統(tǒng)將自身的s、l以及坐標(biāo)信號(hào)以廣播形式發(fā)送給相鄰兩個(gè)定位系統(tǒng)[9-10]。每個(gè)定位系統(tǒng)接收到兩次臨近定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)后對(duì)三個(gè)礦燈距離l進(jìn)行比較排序，由l值最小的定位系統(tǒng)根據(jù)空間幾何原理計(jì)算礦燈實(shí)際坐標(biāo)值并以HL-PLC電力載波通信模式傳送給數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)。

圖4 智能礦燈人員定位原理

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，智能礦燈定位系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與地面監(jiān)視系統(tǒng)間的通信協(xié)議統(tǒng)一采用如表1所列數(shù)據(jù)傳輸定義格式，包括了幀頭、命令、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、命令等級(jí)、礦燈ID、臨近的三個(gè)定位系統(tǒng)ID、定位礦燈X/Y坐標(biāo)、礦燈被測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛戎怠⑼咚箞?bào)警狀態(tài)以及人員定位狀態(tài)值。

表1 智能礦燈定位系統(tǒng)有線/無(wú)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

該智能礦燈由鋰電池供電，需至少持續(xù)照明8 h，需進(jìn)行能耗測(cè)試。能耗測(cè)試電路由鋰電池(3 000 mAh)、示波器、10Ω電阻以及礦燈組成，一次測(cè)試礦燈數(shù)量為10個(gè)，測(cè)試工作周期為15 min，每個(gè)礦燈工作時(shí)間為5 min，通過(guò)示波器統(tǒng)計(jì)并計(jì)算設(shè)計(jì)的智能礦燈系統(tǒng)的單位功耗，能耗測(cè)試電路示意圖如圖5所示。

圖5 能耗測(cè)試電路示意圖

根據(jù)記錄并統(tǒng)計(jì)的能耗測(cè)試數(shù)據(jù)表2得知，該礦燈的待機(jī)功耗約為39 mA，每分鐘功耗約為62 mA，按照每天工作時(shí)間8 h，10個(gè)礦燈一天總功耗數(shù)值為22 800 mAh，滿足礦燈電池電量設(shè)計(jì)要求。

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

4.2 瓦斯?jié)舛葴y(cè)試

間隔50 m設(shè)置模擬瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)點(diǎn)，在每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)擺放一個(gè)定位系統(tǒng)以及一個(gè)礦燈，并經(jīng)電纜與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)(用計(jì)算機(jī)模擬)相連。測(cè)試時(shí)，依次開(kāi)啟三個(gè)礦燈、三個(gè)定位系統(tǒng)，向隨機(jī)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)密閉空間內(nèi)釋放瓦斯氣體，通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)查看三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛茸兓?，可得出瓦斯?jié)舛茸兓€圖，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸藓?，發(fā)出聲光語(yǔ)音報(bào)警，測(cè)試曲線如圖6所示。

圖6 瓦斯?jié)舛葴y(cè)試曲線

4.3 人員定位測(cè)試

進(jìn)行人員定位測(cè)試時(shí)，模擬礦燈實(shí)際位置范圍為(50，0)～(500，0)，間隔50 m設(shè)置一個(gè)礦燈，共10組。根據(jù)人員定位RSSI算法以及空間幾何原理計(jì)算礦燈位置坐標(biāo)信息，與礦燈實(shí)際位置坐標(biāo)對(duì)比并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳細(xì)如表3所列。經(jīng)10組數(shù)據(jù)測(cè)試，誤差范圍為1.6～3.1 m。

表3 人員定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表3 人員定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié) 論

(1) 基于瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)和人員定位的智能礦燈以低功耗STC15W408AS芯片為核心，利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯?jié)舛群腿藛T位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；利用定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯?jié)舛?、人員實(shí)時(shí)位置信息的遠(yuǎn)程地面監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警。

(2) 搭建智能礦燈試驗(yàn)場(chǎng)景，完成能耗測(cè)試、瓦斯?jié)舛葴y(cè)試以及人員定位測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：①該礦燈能耗較低，可實(shí)現(xiàn)待機(jī)、休眠、空閑、工作四種模式無(wú)縫切換，保證照明時(shí)長(zhǎng)大于8 h；②該礦燈實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并上傳礦燈所在位置瓦斯?jié)舛刃畔ⅲ瑢?shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警；③該礦燈可實(shí)現(xiàn)井下人員定位，定位誤差小于1%。

(3) 該礦燈實(shí)現(xiàn)了井下照明、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)、人員定位功能，對(duì)提升井下災(zāi)害預(yù)警以及煤礦安全管理水平具有重要的意義。