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品經理 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品，管理不妥會誘發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，來保證下井作業人員的人身安全，最大限度減少損失。

礦井下環境惡劣，礦燈是下井作業人員的必備設備，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，遇突發狀況很難做到及時與地面聯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雙向通話，及時溝通以解決突發狀況，可以有效的預防災難的發生。

1 現有礦燈現狀

隨著經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，對于下井作業人員來說有很大的負擔。部分礦燈產品可根據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節能，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，具有不發熱，能耗小，發光效率高，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光燈線持續工作。在發生礦難情況下，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無線協議，因此完成芯片正常工作所必要的外圍電路即可以實現測距、通信等功能，采用低功耗型ZigBee網絡技術，使用TOF定位技術實現對礦燈進行精確定位，400米的測距數據精度可控制在3m以內。同時，可通過改進軟件和優化定位算法，進一步減小定位誤差。

眾所周知，礦井下屬于地表下部環境，厚厚地表層，使得手機網絡無法使用。因此礦井下就是典型的環境未知地帶，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網絡技術，通關布設相應的基站，從而組成一套完整的通訊網絡，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據傳輸到環網再到地面，配合上層軟件“煤礦人員管理系統”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布危險預警信號和對人員的合理調度；另外一旦發生事故，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]。定位系統極大方便了管理人員，對整個礦井管理有了質的提升。

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，在礦井下可以穩定接收發射ZigBee信號，保證信號穩定有效。

2.3 語音功能

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

在礦燈正常使用時此功能不工作，以節省電力，保證電池的續航。當井下作業人員與地面管理人員使用調度臺相互通信時，啟動相應功能，井下人員可以一鍵呼叫調度臺，同時調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關系統，結合Freeswitch電話交換平臺，可以利用SIP協議與市場上大部分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境影響，保障通話質量，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方案實現語音通話。

AMBE1000芯片專門對語音數據進行編碼和解碼，將語音數據壓縮，減少占用內存，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。蜂鳴器具有質量輕，體積小，價格便宜，電路較為穩定等特點；但是在礦井下嘈雜的環境中，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，礦井下環境較為黑暗，有了光線團隊一起作業時，可以相互提醒指示，可以對使用者的人身安全發揮更大的作用。光線報警采用低功耗LED燈珠作為光源，具有發光角度小，使用壽命長的特點，光線使用環保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，可以發出較顯眼光線。

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

2.5 保護功能

在礦下復雜的環境中，當礦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，當礦燈發生短路時，能在15ms內切斷礦燈電源，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作完成。在昏暗且灰塵比較大的環境中，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。燈頭發光燈采用低功耗LED節能燈珠，燈珠采用霧狀燈珠，燈珠發光角度大，對眼睛刺激小，適合用作提示源。燈光以最小系統進行控制，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，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人員的工作狀態。智能語音礦燈集成了運動檢測功能，根據對礦燈芯片運動數據收集處理，調度中心可以通過系統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，若人員遇突發狀況，調度臺可在最短時間內對人員進行施救，減少災難發生。

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

本設備相比傳統礦燈具備了符合現代智能使用場景的強大功能。搭配上層的管理系統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控，在遇到突發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生的目的，增強對下井作業人員的人身保護。另外，方便在井下昏暗和多塵的環境進行工種的識別和管理；在意外情況發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勢，又兼備了礦用燈大容量電池和光線足的實用本質，順應了當下對智慧煤礦的號召。