基于瓦斯監測與人員定位的智能礦燈的設計

鄭孝磊

（潞安礦業集團古城煤礦，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礦井生產的需要，為了提高礦井作業人員的安全，應增設瓦斯超限探測系統，以達到保障煤礦工人生命安全的目的。需實現精確定位，為了確保在意外情況下對被困的人進行準確的位置和追蹤，確保了救援的時間。礦燈多用途化的研究成果：法國開發了一種裸鉑感應器，可以對煤礦瓦斯濃度進行實時監控；俄羅斯已批量生產和使用的瓦斯超限報警礦燈，用于煤礦安全生產；中國煤炭重慶研究所開發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絡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測中心。但是該方法的缺陷是容易出現漏識別，且識別的范圍較小，數據傳輸的穩定性差，抗干擾能力弱。無線傳感器網絡的定位需要設置大量的定位裝置和照明設備，并形成自組織網，但是由于定位距離太短，不能廣泛地在復雜的電磁干擾環境中使用。本文介紹了一種基于人員定位技術的礦井照明系統，它通過有線+無線的方式對井下工作人員進行實時的追蹤和定位，并在突發事件中及時發出求救信號，提高礦井工人的安全保護能力。

1 智能礦燈系統結構及設計原理

本文介紹了一種新型的礦燈智能系統，它包括四個主要模塊：燈本體系統、定位系統、數據傳輸系統和地面監控系統。礦燈主體系統采用STC15W408AS 作為中央處理器，通過CC1101RF 無線傳輸模塊，向定位系統傳輸瓦斯濃度數據和位置數據。在定位系統中，CC1101 射頻接收模塊通過STC15W408AS 進行CPU 處理，將其作為HL-PLC 功率載波通訊方案發送至數據傳輸系統。通過CAN 通訊方式，將采集到的數據傳送給地面監測系統，實現對瓦斯濃度和人員實時位置的實時監測。除了HL-PLC 的電力載波通訊之外，定位和數據傳送系統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發生故障時的緊急通訊問題。該系統采用433MHz的無線通訊技術，可在空間狹窄、障礙物多、干擾強烈的情況下，實現安全可靠的通訊，并可滿足礦井智能照明系統中的小數據傳輸、自組網空間大等問題。該系統在不需要附加額外硬件設施的情況下，使用了一種以檢測到的信號強度為基礎的位置算法。通過CAN 總線通訊，數據傳送和地面監測數據的傳遞，確保人員定位數據和瓦斯濃度數據的穩定、可靠[1]。見圖1。

2 系統硬件設計

本產品采用STCSTC15W408AS作為其核心硬件芯片，具有低速、空閑、斷電/關機三種工作方式，功耗低，可確保礦燈連續工作8h，保證穩定的照明。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，具有遠程喚醒功能，片內資源豐富，可實現智能化礦燈的設計。本系統采用CC1101RF超低功率單片機，功率消耗在10mA 左右，工作頻率433MHz，在100~500m范圍內進行無線通訊。

選擇了MC112 催化燃燒氣體濃度傳感器，它在探測到瓦斯時，其內部的電阻會迅速增加，并且與探測到的瓦斯濃度呈線性關系，隨著瓦斯濃度的增加，輸出信號的數值也隨之增加。MC112 瓦斯濃度傳感器在10s內的響應和30s的恢復速度，具有良好的可靠性和穩定性。瓦斯濃度檢測電路是由催化燃燒氣體濃度傳感器組成的。見圖2。

圖2 瓦斯濃度檢測電路

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 系統軟件設計

3.1 礦燈系統軟件

礦燈智能控制系統的軟件主要有：氣體濃度采集程序，聲光報警程序，礦燈自動網絡運行方式程序，礦燈多系統自動構成工作方式，可實現瓦斯濃度采集、聲光報警、礦燈單/多系統自組網等多種功能。在Keil軟件平臺的基礎上，使用C 語言實現了模塊化的編程思路。

3.2 定位系統軟件

本軟件主要實現了礦井燈光的無線接收和人員的位置控制。利用RSSI技術，根據實測的數據，利用實測的模型曲線作為參考，利用無線信號強度，確定了兩個點之間的準確距離。所述曲線的橫軸是兩點之間的無線電信號強度，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，它記錄了礦燈本身的位置信息。當所述礦燈向鄰近的三個鄰近位置系統發送無線電信號之后，所述位置系統將所述無線電信號的強度值S1、S2、S3記錄，并且測量所述礦燈距離L1、L2、L3。每一個定位系統都向兩個鄰近的定位系統發送自己的S、L和坐標信號。在兩次采集到相鄰位置的數據后，各位置系統將三盞燈光的位置進行比較和排列，用l最小的定位系統依據空間幾何學的方法進行實際坐標的計算，通過HL-PLC的功率載波法向該數據傳輸系統傳輸。

圖3 智能礦燈人員定位原理

為了確保數據傳輸的穩定、可靠，本系統與數據傳輸系統、定位系統、地面監控系統之間的通訊協議均采用表格1所示的數據傳輸定義格式，其中包含幀頭、命令、數據長度、命令級別，礦燈ID，三個鄰近的位置系統ID，礦燈X/Y坐標，礦燈所測量的瓦斯濃度值，瓦斯報警狀態，人員位置值等。

表1 智能礦燈定位系統有線/無線數據傳輸格式定義數據表

4 系統測試應用

4.1 能耗測試

本產品采用的電池，需要11h 連續發光，需要進行能量消耗試驗。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；用示波器對所設計的智能礦燈的功率消耗進行了統計和計算，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;符合設計的礦燈蓄電池電量[2]。

表2 10組礦燈能耗測試數據統計（單位：mA）

表3 人員定位數據統計表

4.2 瓦斯濃度測試

每隔50m 布置一套模擬瓦斯濃度監控點、一套定位系統和一盞礦燈，通過電纜連接到數據傳輸系統、地面監視系統。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域，由微機監控系統對三個監測點的瓦斯濃度進行監測，從而得到該區域的瓦斯濃度變化情況；在瓦斯濃度超過極限時，報警裝置發出聲光報警信號，其試驗曲線見圖5。

圖5 瓦斯濃度測試曲線

4.3 人員定位測試

在進行人工定位試驗時，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法和空間幾何學的方法，計算出了礦燈的位置坐標，并與礦燈的實際位置進行了比較，并進行了統計。經過10個試驗，其誤差在1.6~3.1m之間。

5 結論

（1）該系統采用STC 15W408AS 低功率單片機為核心，采用傳感器技術，實現了對煤礦瓦斯濃度、人員位置的實時監控；利用定位系統和數據傳輸系統，實現對礦井瓦斯濃度和人員實時位置的實時監測，從而達到瓦斯濃度超標的目的。

（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。實驗結果顯示：①本發明的礦燈能量消耗小，可實現待機、體眠、空閑、工作4種工作方式的無縫切換，確保8h內的光照時間；②可實現礦燈位置瓦斯的實時監控，并將其位置的瓦斯濃度數據上傳，實現了瓦斯濃度的超限預警；③該礦燈能在礦井內進行人員的位置定位，其位置誤差在1%以內。

（3）該礦燈可實現井下照明、瓦斯濃度監測、人員定位等功能，為礦井提高災害預警、提高礦井安全管理水平提供了有益的借鑒。