基于瓦斯監(jiān)測與人員定位的智能礦燈的設(shè)計

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)瓦斯超限探測系統(tǒng)，以達(dá)到保障煤礦工人生命安全的目的。需實現(xiàn)精確定位，為了確保在意外情況下對被困的人進(jìn)行準(zhǔn)確的位置和追蹤，確保了救援的時間。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，可以對煤礦瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實時監(jiān)控；俄羅斯已批量生產(chǎn)和使用的瓦斯超限報警礦燈，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特的識別卡、讀卡器，在井下作業(yè)人員帶著識別卡通過讀卡器時，讀卡器會自動讀出識別卡，并將其上載到地面監(jiān)測中心。但是該方法的缺陷是容易出現(xiàn)漏識別，且識別的范圍較小，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+無線的方式對井下工作人員進(jìn)行實時的追蹤和定位，并在突發(fā)事件中及時發(fā)出求救信號，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)計原理

本文介紹了一種新型的礦燈智能系統(tǒng)，它包括四個主要模塊：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)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對瓦斯?jié)舛群腿藛T實時位置的實時監(jiān)測。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，使用了一種以檢測到的信號強(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

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 芯片具有高的運算速度、高時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，可實現(xiàn)智能化礦燈的設(shè)計。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，它在探測到瓦斯時，其內(nèi)部的電阻會迅速增加，并且與探測到的瓦斯?jié)舛瘸示€性關(guān)系，隨著瓦斯?jié)舛鹊脑黾?，輸出信號的?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測電路

本文的智能化礦井照明控制電路主要由模擬信號放大電路、實時時鐘電路、聲光報警電路、礦燈控制電路、電源管理電路、蓄電池電壓檢測電路、CAN 通訊線路等組成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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，聲光報警程序，礦燈自動網(wǎng)絡(luò)運行方式程序，礦燈多系統(tǒng)自動構(gòu)成工作方式，可實現(xiàn)瓦斯?jié)舛炔杉?、聲光報警、礦燈單/多系統(tǒng)自組網(wǎng)等多種功能。在Keil軟件平臺的基礎(chǔ)上，使用C 語言實現(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)實測的數(shù)據(jù)，利用實測的模型曲線作為參考，利用無線信號強(qiáng)度，確定了兩個點之間的準(zhǔn)確距離。所述曲線的橫軸是兩點之間的無線電信號強(qiáng)度，縱軸是從觀測點到觀測點之間的距離。本實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鄰近位置系統(tǒng)發(fā)送無線電信號之后，所述位置系統(tǒng)將所述無線電信號的強(qiáng)度值S1、S2、S3記錄，并且測量所述礦燈距離L1、L2、L3。每一個定位系統(tǒng)都向兩個鄰近的定位系統(tǒng)發(fā)送自己的S、L和坐標(biāo)信號。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)行實際坐標(biāo)的計算，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、命令級別，礦燈ID，三個鄰近的位置系統(tǒng)ID，礦燈X/Y坐標(biāo)，礦燈所測量的瓦斯?jié)舛戎?，瓦斯報警狀態(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)測試應(yīng)用

4.1 能耗測試

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。能量消耗檢測電路包括一塊4000mAh的電池、示波器、10Ω電阻和礦燈，一次試驗10盞，測試工作周期為15min，每盞礦燈工作5min；用示波器對所設(shè)計的智能礦燈的功率消耗進(jìn)行了統(tǒng)計和計算，并給出了功率消耗測試電路的原理圖（見圖4）。

圖4 能耗測試電路示意圖

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

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

表3 人員定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

4.2 瓦斯?jié)舛葴y試

每隔50m 布置一套模擬瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控點、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)對三個監(jiān)測點的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，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，報警裝置發(fā)出聲光報警信號，其試驗曲線見圖5。

圖5 瓦斯?jié)舛葴y試曲線

4.3 人員定位測試

在進(jìn)行人工定位試驗時，礦燈的實際位置在（50、0）~（500、0）之間，每隔50m 放置一盞礦燈，共計10 組。利用RSSI法和空間幾何學(xué)的方法，計算出了礦燈的位置坐標(biāo)，并與礦燈的實際位置進(jìn)行了比較，并進(jìn)行了統(tǒng)計。經(jīng)過10個試驗，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)，實現(xiàn)了對煤礦瓦斯?jié)舛取⑷藛T位置的實時監(jiān)控；利用定位系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)對礦井瓦斯?jié)舛群腿藛T實時位置的實時監(jiān)測，從而達(dá)到瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)的目的。

（2）建立一個智能化的礦燈測試場景，完成能源消耗測試、氣體濃度測試和人員位置測試。實驗結(jié)果顯示：①本發(fā)明的礦燈能量消耗小，可實現(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)的光照時間；②可實現(xiàn)礦燈位置瓦斯的實時監(jiān)控，并將其位置的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)上傳，實現(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）該礦燈可實現(xiàn)井下照明、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測、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。