一种新型报警矿灯

关丙火 傅阳

1.神华神东煤炭集团有限责任公司工程师 陕西榆林 719300

2.深圳市翌日科技有限公司产品经理 广东深圳 518000

传感器技术和信息技术的不断发展，矿灯产品不断小型化，矿灯的多功能化成立必然趋势。部分矿井开采深度和范围都在逐步扩大，需要耗费大量的人力、物力，在开采过程中，有些难以避免的人员伤亡给下井人员带来了巨大的伤害和压力。

矿灯是井下应用最多的防爆电气设备之一, 其使用性能和安全性能影响着矿工的劳动强度和煤矿的安全生产。现有的报警方式一般采用传统的声音报警，有突发状况会有报警声音，提示作业人员撤离，或作业人员自救；但有些矿井下环境较为恶劣，周围声音嘈杂，作业人员工作时很难注意到报警声音，从而错过撤离和救助的最佳时机，导致灾难发生[1]。

1 现有报警现状

在报警提示功能方面，一般采用声音和光两种报警方式，非常直观。而在矿井下这个特殊的环境，矿井下相对比较封闭，而且设备铺设原因，无法提供太多光线，比较黑暗，下井作业人员需要自己佩戴矿灯，作为照明使用。大环境中单采用环境光线报警方式不适合。

传统的矿灯光源使用白炽灯，很多部分的能量是不可见光，发光效率低且寿命短，而且其高温的发热灯丝可达2000℃，在矿井环境中是个巨大的不稳定因素。LED灯工作时表面温度最高40℃，而且寿命长。

在矿井环境中，下井作业人员身上一般都要佩戴报警设备有矿灯、自救器、甲烷报警装置和人员定位仪等多个设备，让作业人员第一时间得到报警信息，以最快速度做出反应，保证自身安全[。生命是珍贵的，不仅个人重视安全问题，国家也出台了许多相关政策以及硬性要求，以此来保证下井作业人员的安全，1987年颁布的GB7957-87《矿用安全帽灯》标准中即规定“矿灯应安装短路保护装置”。对于矿灯企业，单靠低价格进行竞争是没前途的，在这个全民重视安全性的环境中，提高产品的不可替代性，增加产品功能和性能十分的必要[2]。

2 智能语音矿灯报警优势

在现有信息化矿灯基础上，新增了声光报警，采用双重保险。在突发情况下有光源标定自己的位置，让作业人员相互警示，及时收到异常情况信息，保护自己。

声光报警装置隐藏在矿灯内部，不会因增加功能而导致矿灯本身体积增加，以减少使用者负担，声光报警的驱动电路集成在本身内部板卡之中，利用引线将发声、发光装置加长，利用胶体、螺丝将其固定。发光灯线本身位于电池槽与灯头之间的连接线内部，外部有PVC材料做成的透明软保护套，由于连接位置采用黑色保护套能够有效利用光源，还有保护和固定的作用，保护灯线不会被外力破坏，在保护套里面有4根独立的发光灯线，平均分布在两侧，样使得光线发散的更加均匀，同时增加光线的亮度增大被发现的可能性；另外多根光纤设计，在部分光纤因长期使用损坏时，留作备用[3]。光线报警实物参考如图1。

图1 光线报警3D图

2.1 声音报警功能

声音报警采用蜂鸣器来播报，这样功耗低，因为矿灯本身电量有限，采用蜂鸣器低功耗元件来进行报警，加之本身体积小，质量轻仅有0．5g，低电压即可驱动，同时声音可以达85dB，因此在小范围内是可以有效起到报警提示作用。

声音报警在日常使用过程中是不工作的，可以减少对矿灯本身电源的功耗，以保证矿灯的使用时长，因声音报警部分在矿灯上，当下发撤离或求救时，可以让人相对明显听到提示音，在嘈杂环境中也有一定效果，可以大限度的提示和保护使用者[4]。

2.2 光线报警

光线报警采用低功耗红色LED灯珠作为光源，使用光纤，将光线引导出去，由于光纤传导效率较高，在灯线的长度范围内基本都可以均匀的点亮，起到预警作用。

光源采用低功耗高亮的LED灯珠，灯珠有功耗低、开关速度快、开关次数多、寿命长灯等特点，功耗低可以保证矿灯本身照明时间够长，同时LED选用高聚光，亮度高的白发红灯珠，因此能够有效利用光源。

灯线采用阻燃PVC透明材料，本身为圆柱形，质地柔软，可以弯折，耐拉伸，不易折断，一端有光源照射进入，内部本身可以进行导光，并通过侧面发生光源，由于光纤本身特性，在灯线的长度范围内基本都可以均匀的点亮，因此能够较好的起到预警作用。

连接部位采用阻燃PVC黑色材料，本身不具有透光性，本身黑色材料阻止光线外漏，将光源有效的引导进入灯线中，提高光源利用率。所有材料均使用PVC材料，无污染，对人体无害，非常环保，且阻燃。

光线报警采用醒目的红色，以最大限度提醒使用者，且本部分在不发光时，使用开关器件关断了电源，所以功耗非常底。如若发生矿难情况，在本身矿灯电池电量过低，不足以使矿灯正常工作时，仍然可以使本部分电路发生，使使用者容易被发现，方便救援人员及时施救。

图2 发光灯线卡原理图

综上，由于光，特别是红色光源容易被发现，可较大限度的增加在意外情况被发现的概率，能够提高被救援的概率，因此利用光线报警将会是一个较好的选择。

2.3 主控MCU

声光报警器主控MCU采用低功耗ZigBee专用的JN5168芯片，核心微处理器选用JN5168单芯片，该芯片工作电压为工作电流 17． 5 mA。它内部集成32 M的32 bit CPU，内部RAM容量最大32 K bit，内部FLASH容量最大256 K bit，拥有2路串口、20个普通IO管脚、42．0V～3．6V，输出最大射频功率2．5dBm，工作频率为2400MHz～2483MHz，最小休眠电流为0．7uA，最大路ADC、1个定时器和1个看门狗等功能。因为JN5168片上已经包括TOF引擎，能够直接进行测距，因此，以JN5168为核心的硬件电路只需要设计芯片正常工作必要的外围电路。LED发光灯线电路板的尺寸为20＊40mm，具体尺寸形状如图3所示。

JN5168芯片不仅可以实现精准定 位功能，还可以对外围电路进行控制，控制电平为通用3．3V，便于移植，适用性强。

3 结论

图3 矿灯LED板尺寸

本设备矿灯与传统矿灯相比，在功能上，保持了以往的声音报警，并在此基础上增加光线报警装置，由于光线报警的特性，能够直接通过眼睛被观察到，因此在嘈杂的作业环境中可通过可以提高作业人员警惕性，有效地将报警信息传达至作业人员，较大的提高了被救援的概率，同时，能够有效的将异常信息传递给其他工作人员，提升他们发现异常情况的概率。矿井下环境相对黑暗，采用红色光线进行报警，可明显提示作业人员。升级报警系统可有效提升报警质量，有效让作业人员察觉，从而减少灾难的发生。