煤矿井下人员“三网合一”智能综合管理系统的应用研究

彭云　王官升　安雁

【摘 要】煤矿井下人员“三网合一”智能综合管理系统是将虹膜识别系统、矿灯智能充电管理系统及井下人员跟踪定位系统相互绑定，虹膜识别系统中的下井人员身份信息能在矿灯智能充电管理系统中得以识别并显示，使得考勤记录信息能够精确到每个人，从而为采用RFID无线射频识别技术的跟踪定位系统的实施奠定良好的基础。

【关键词】三网合一；智能；综合管理；虹膜识别；智能充电；跟踪定位；RFID

【Abstract】“Three Integrated Networks” intelligent management system of the coal mine workers binds mutually the iris recognition system， the miner intelligent charging management system and the underground workers tracking-positioning system. The identity information of workers going down in the iris recognition system can be identified and displayed in the miner intelligent charging management system， thus laying a good foundation for tracking-positioning system using RFID technology to implement， make attendance record information accurately to each worker.

【Key words】Three Integrated Networks； intelligent； Integrated management； Iris recognition； Intelligent charging； Tracking-positioning； RFID

0 引言

我国是全球产煤量最多的国家，2013年全国煤炭产量完成37亿吨，百万吨死亡率为0.293，虽然历史上首次降到0.3以下，但它和先进的产煤国家比较，还是先进国家的10倍。因此煤矿安全生产一直都是政府和煤炭生产企业以及社会关注的问题，然而由于造成煤矿发生事故的原因很多，如：瓦斯爆炸、冒顶、透水和漏电等因素，所以在煤矿生产过程中，人力不可避免的、突发性的事故时有发生。因此，如何在矿难事故发生后准确、实时、快速确定井下工作人员的具体位置，并及时做好井上与井下人员的信息通讯工作也一直是人们关注的焦点。

限于国内多数矿井救护技术装备的落后，地面对井下人员的监控不完善，人员分布情况的定位不清楚，因而也就无法进行有效的营救工作。目前，国外以美国霍尼韦尔公司为代表的煤矿人员管理系统多数采用无线射频识别（Radio Frequency Identification，以下简称RFID）技术[1-2]与Zigbee无线网络技术。国内仅局部有射频卡类矿山人员定位系统应用，但效果不佳。煤矿井下人员“三网合一”智能综合管理系统是将虹膜识别系统[3]、矿灯智能充电管理系统和井下人员跟踪定位系统[4]相互绑定，将考勤记录信息精确到每个人[5]，从而能够更加准确、有效地确定井下作业人数和具体位置，不仅在矿难发生后便于有效、积极地开展营救，而且在日常生产中能有效地掌握人员分布情况，安排和调度工作，提高煤炭生产的管理水平[6]。

1 系统整体设计

1.1 系统概述

首先，入井人员通过虹膜识别系统进行注册、识别，获得领取矿灯的认证，同时虹膜识别记录其入、出井的时间。其次，矿灯智能充电管理系统主要是完成领取矿灯人员的识别，并显示使用人员信息、矿灯充电状态。该系统能够显示的充电参数，如领取矿灯人员的姓名、所在部门、矿灯编号、寿命、充电状态及取走时间等信息，目前国内外能在每个充电灯位上显示诸多数据信息的智能充电架尚无问世。虹膜识别系统中的人员身份信息能在矿灯智能充电管理系统中识别并显示。最后，井下人员跟踪定位系统是在巷道的入井、交叉口及采掘工作面入口等安装读卡器，每位入井人员随身携带身份标识卡，当通过读卡器时信息被记录并上传至井上监控机，从而能够精确、实时地掌握井下作业人数和具体位置。

1.2 虹膜识别系统

虹膜识别技术是由中科院自动化所于1998年开始进行的研究，2000年具有自主知识产权的虹膜识别系统研发成功[3]。虹膜由许多腺窝、皱褶、色素斑等构成，是人体中最独特的结构之一。其高度的独特性、稳定性及不可更改的特点，是当前身份鉴别应用最为方便和精确的一种[5]。

1.3 矿灯智能充电管理系统

系统可实现5～60个充电架的管理，每个充电架能对96盏矿灯同时充电及管理。如下图1所示。

1.4 井下人员跟踪定位系统

1.4.1 RFID技术

RFID技术起源于20世纪40年代雷达技术的发展[7-8]，是从20世纪90年代兴起的一项自动识别技术[4]。RFID由标识卡、读卡器和天线三部分组成[1-2]。井下人员每人配带一个和读卡分站配套带有固定编号的标识卡，卡内存有唯一的卡号，与此卡号相对应的矿工身份信息存入数据库。读卡器有不同的地址，适当数量的读卡器使用RS485组成一个读卡分站，分站的各个站点组成CAN[9]总线网络，并连接到地面上位机。随身的标识卡固定时间发出一个频率信号，当经过与读卡器的距离小于100m时，读卡器识别标识卡并将射频卡号和自身卡号，通过工业以太网传输给数据中心站，数据中心站的服务器负责将其进行处理，并自动对数据库中的数据进行更新存储[10]。

1.4.2 CAN-以太网结构布置

光纤千兆以太网，从井上到井下沿轨道大巷，再从皮带输送巷到井上组成环网，为主干通信网络，可同时实现矿井自动化、安全监控以及人员综合管理的信息传输。井下盘区入口处安装以太网交换机以及第二层千兆以太网，井下回采工作面入口、掘进工作巷入口、变电站及指挥场所等安装二级以太网交换机。以太网每个交换机都连接一个网关，其作用是将以太网传输协议转换成CAN总线协议。为提高网络的可靠性，CAN总线采用分布式结构布置，即多个独立的CAN总线分别连接第一层和第二层以太网，因此当某一段CAN总线有故障，其它CAN总线不会受到影响。如下图2所示。

1.4.3 Zigbee技术

井下矿工配戴的信息矿灯中装有标识卡，信息矿灯与LED节能巷道灯联锁，信息矿灯每2s发送一次频率信号，当它进入带有“Zigbee”无线网络管理的区域中，LED节能巷道灯接收到信号后就会全功率照明，如果4s后没有接收到信号，就会以1W低功率点燃。信息矿灯与自救器联锁，当矿工取下笨重的自救器进行工作时，信息矿灯就会持续闪烁，警示人员。

2 系统硬件的应用设计

2.1 虹膜识别系统[3]

该系统包括注册单元，完成人员基本信息与虹膜信息的注册；识别单元，完成人员身份识别、考勤与传输等功能；服务器单元，完成人员的考勤、日志记录以及数据的备份等功能；监测单元，基于B/S构架进行实时监测和在线管理。

2.2 矿灯智能充电管理系统

2.2.1 充电板

充电板可实现4.2V/（1.8～4Ah）锂电池充电，充电电流在600～950mA。由于采用专用锂电池充电芯片，因此可进行三阶段充电，即涓流、恒流、恒压充电。充电板可输出充电、充满、有无灯信息供数据采集板使用。

2.2.2 数据采集板

数据采集板的核心芯件采用ARM-STM32F103的32位单片机，所以具有很强的数据处理能力，包括数据I/O量、A/O量采集、数据显示和数据RS485传输。数据采集板可实现12个充电板的数据采集与处理，并通过RS485接口将采集的数据传输给数据收发板。在数据采集板上有一个供显示用的输出端口，串行连接12块4位LED数据显示模块，当无矿灯充电时，显示矿灯编号；当有矿灯充电时，显示电池电压；当矿灯电池充满时，交替显示矿灯编号和电池电压；当矿灯或充电板出现故障时，采用间断显示矿灯编号的方式来报警。

2.2.3 数据收发板

数据收发板的芯件同样采用32位ARM-STM32F103单片机，对采集的数据汇总、打包、缓存。当上位机需要数据时，数据收发板通过以太网线接口将数据发送进行处理。数据收发板的使用可大大提高系统对数据的处理速度。

2.2.4 显示板

显示板在充电架上共有96块，用来显示矿灯的充电参数，如矿灯编号、电池电压、充电、充满、取走等。

2.3 井下人员跟踪定位系统

2.3.1 硬件结构

网关采用32位ARM-STM32F103单片机为核心处理芯片，一端连接以太网，另一端连接CAN总线。以太网处理芯片采用SPI同步串口的ENC28J60芯片，输出采用20F001N及RJ-45接口。CAN总线接口采用SN65HVD230芯片，输出为三线，其中一根为地线口，内部采用大容量串行FLASH25VF016存贮器。

2.3.2 读卡器

读卡器同样采用32位ARM-STM32F103单片机为核心处理芯片，无线收发模块采用Si4432芯片，发射功率为+20dbm，接受灵敏度为-116dbm，空旷通讯距离大于2000m，工作频率为：240～930MHz。32位ARM-STM32F103单片机与Si4432通过串口连接，将从无线口接受到的数据通过CAN总线的接口芯片SN65HVD230输出。

2.3.3 标识卡

识别卡采用 8位单片机和Si4421无线收发芯片组成。Si4421工作在433MHz、868～915MHz以及2.4GHz三个频段，采用GFSK载频调制，发射功率为5～10dbm。移动标识卡每隔2秒钟发送一次信息，发送时首先监视空中有无该频率的无线信号，如果有就等到信号结束，再延时一个随机时间，如果无信号，就将自己的信息发送出去。如果取Si4421传输速率为中间值128kbps， 每个标识卡所发送的信息量为320bps，1s即可传输400个标识卡的信息。

3 结语

随着无线技术的快速发展，它会在越来越多的领域得以应用。煤矿井下人员“三网合一”智能综合管理系统采用将虹膜识别系统、矿灯智能充电管理系统及井下人员跟踪定位系统相互绑定的技术模式，为确定井下作业人员数和具体位置提供更有力的保障。虽然，目前的技术还达不到监控人员任何时刻的精确位置，但随着创新技术的不断发展，坚信会有更为完善的智能管理方案出现。

【参考文献】

[1]游战请，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M].电子工业出版社，2004，10.

[2]周晓光，王晓华.射频识别（RFID）技术原理和应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[3]北京中科虹霸科技有限公司.虹膜识别技术在矿山人员安全管理中的应用[EB/OL].2007，02（4）：64-65.

[4]段银联.基于RFID技术的矿井人员定位监控系统研究[D].安徽：安徽理工大学，2009，06.

[5]徐济仁，陈家松，等.基于虹膜识别和RFID的矿山人员安全管理方案[J].煤炭科学技术，2010（4）：75-78.

[6]李洪宇.井下人员定位系统[D].济南：山东科技大学，2004.

[7]Mahmound S F Wait J R Guided Electromagnetic Waves in a Curved Rectangular Minetunnel. Radio Science， 1974， 9： 567-572[Z].

[8]Beckmann P，Spizzichino A. The Scattering of Electromagnetic Waves from Tough Surfaces[J]. Radio Science， 1998， 33（5）： 1130-1132.

[9]迟东民.基于CAN总线分布式监控系统的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2005.

[10]国家安全生产监任管理局、国家煤矿安全监察局.国家安全生产科技发展规划[R].煤矿领域研究报告，2003，12.

[责任编辑：杨玉洁]