基于瓦斯监测与人员定位的智能矿灯的设计

郑孝磊

（潞安矿业集团古城煤矿，山西 长治 046000）

煤矿职工身上仅有的一盏矿用灯具已无法适应矿井生产的需要，为了提高矿井作业人员的安全，应增设瓦斯超限探测系统，以达到保障煤矿工人生命安全的目的。需实现精确定位，为了确保在意外情况下对被困的人进行准确的位置和追踪，确保了救援的时间。矿灯多用途化的研究成果：法国开发了一种裸铂感应器，可以对煤矿瓦斯浓度进行实时监控；俄罗斯已批量生产和使用的瓦斯超限报警矿灯，用于煤矿安全生产；中国煤炭重庆研究所开发的矿井瓦斯超限报警矿灯等。无线射频扫描和无线传感器网络定位是煤矿人员定位的主要手段。无线射频扫描仪需要配备独特的识别卡、读卡器，在井下作业人员带着识别卡通过读卡器时，读卡器会自动读出识别卡，并将其上载到地面监测中心。但是该方法的缺陷是容易出现漏识别，且识别的范围较小，数据传输的稳定性差，抗干扰能力弱。无线传感器网络的定位需要设置大量的定位装置和照明设备，并形成自组织网，但是由于定位距离太短，不能广泛地在复杂的电磁干扰环境中使用。本文介绍了一种基于人员定位技术的矿井照明系统，它通过有线+无线的方式对井下工作人员进行实时的追踪和定位，并在突发事件中及时发出求救信号，提高矿井工人的安全保护能力。

1 智能矿灯系统结构及设计原理

本文介绍了一种新型的矿灯智能系统，它包括四个主要模块：灯本体系统、定位系统、数据传输系统和地面监控系统。矿灯主体系统采用STC15W408AS 作为中央处理器，通过CC1101RF 无线传输模块，向定位系统传输瓦斯浓度数据和位置数据。在定位系统中，CC1101 射频接收模块通过STC15W408AS 进行CPU 处理，将其作为HL-PLC 功率载波通讯方案发送至数据传输系统。通过CAN 通讯方式，将采集到的数据传送给地面监测系统，实现对瓦斯浓度和人员实时位置的实时监测。除了HL-PLC 的电力载波通讯之外，定位和数据传送系统的通讯方式也可以采用无线通讯方式，以解决有线传输系统发生故障时的紧急通讯问题。该系统采用433MHz的无线通讯技术，可在空间狭窄、障碍物多、干扰强烈的情况下，实现安全可靠的通讯，并可满足矿井智能照明系统中的小数据传输、自组网空间大等问题。该系统在不需要附加额外硬件设施的情况下，使用了一种以检测到的信号强度为基础的位置算法。通过CAN 总线通讯，数据传送和地面监测数据的传递，确保人员定位数据和瓦斯浓度数据的稳定、可靠[1]。见图1。

2 系统硬件设计

本产品采用STCSTC15W408AS作为其核心硬件芯片，具有低速、空闲、断电/关机三种工作方式，功耗低，可确保矿灯连续工作8h，保证稳定的照明。STC15W408AS 芯片具有高的运算速度、高时钟精度和宽广的工作频率范围，具有远程唤醒功能，片内资源丰富，可实现智能化矿灯的设计。本系统采用CC1101RF超低功率单片机，功率消耗在10mA 左右，工作频率433MHz，在100~500m范围内进行无线通讯。

选择了MC112 催化燃烧气体浓度传感器，它在探测到瓦斯时，其内部的电阻会迅速增加，并且与探测到的瓦斯浓度呈线性关系，随着瓦斯浓度的增加，输出信号的数值也随之增加。MC112 瓦斯浓度传感器在10s内的响应和30s的恢复速度，具有良好的可靠性和稳定性。瓦斯浓度检测电路是由催化燃烧气体浓度传感器组成的。见图2。

图2 瓦斯浓度检测电路

本文的智能化矿井照明控制电路主要由模拟信号放大电路、实时时钟电路、声光报警电路、矿灯控制电路、电源管理电路、蓄电池电压检测电路、CAN 通讯线路等组成。

3 系统软件设计

3.1 矿灯系统软件

矿灯智能控制系统的软件主要有：气体浓度采集程序，声光报警程序，矿灯自动网络运行方式程序，矿灯多系统自动构成工作方式，可实现瓦斯浓度采集、声光报警、矿灯单/多系统自组网等多种功能。在Keil软件平台的基础上，使用C 语言实现了模块化的编程思路。

3.2 定位系统软件

本软件主要实现了矿井灯光的无线接收和人员的位置控制。利用RSSI技术，根据实测的数据，利用实测的模型曲线作为参考，利用无线信号强度，确定了两个点之间的准确距离。所述曲线的横轴是两点之间的无线电信号强度，纵轴是从观测点到观测点之间的距离。本实用新型的矿灯定位原理显示在图3中，它包括一盏矿灯、三个定位系统，它记录了矿灯本身的位置信息。当所述矿灯向邻近的三个邻近位置系统发送无线电信号之后，所述位置系统将所述无线电信号的强度值S1、S2、S3记录，并且测量所述矿灯距离L1、L2、L3。每一个定位系统都向两个邻近的定位系统发送自己的S、L和坐标信号。在两次采集到相邻位置的数据后，各位置系统将三盏灯光的位置进行比较和排列，用l最小的定位系统依据空间几何学的方法进行实际坐标的计算，通过HL-PLC的功率载波法向该数据传输系统传输。

图3 智能矿灯人员定位原理

为了确保数据传输的稳定、可靠，本系统与数据传输系统、定位系统、地面监控系统之间的通讯协议均采用表格1所示的数据传输定义格式，其中包含帧头、命令、数据长度、命令级别，矿灯ID，三个邻近的位置系统ID，矿灯X/Y坐标，矿灯所测量的瓦斯浓度值，瓦斯报警状态，人员位置值等。

表1 智能矿灯定位系统有线/无线数据传输格式定义数据表

4 系统测试应用

4.1 能耗测试

本产品采用的电池，需要11h 连续发光，需要进行能量消耗试验。能量消耗检测电路包括一块4000mAh的电池、示波器、10Ω电阻和矿灯，一次试验10盏，测试工作周期为15min，每盏矿灯工作5min；用示波器对所设计的智能矿灯的功率消耗进行了统计和计算，并给出了功率消耗测试电路的原理图（见图4）。

图4 能耗测试电路示意图

从能量消耗试验资料表2中可以看出，每台矿灯的待机功耗为39mA 左右，1min 的功耗大约为62mA，以11h 的工作时间计算，10 盏矿灯的总功耗为31350mA;符合设计的矿灯蓄电池电量[2]。

表2 10组矿灯能耗测试数据统计（单位：mA）

表3 人员定位数据统计表

4.2 瓦斯浓度测试

每隔50m 布置一套模拟瓦斯浓度监控点、一套定位系统和一盏矿灯，通过电缆连接到数据传输系统、地面监视系统。在检测过程中，三盏矿灯和三套定位装置依次打开，将瓦斯排放到任意一处封闭的区域，由微机监控系统对三个监测点的瓦斯浓度进行监测，从而得到该区域的瓦斯浓度变化情况；在瓦斯浓度超过极限时，报警装置发出声光报警信号，其试验曲线见图5。

图5 瓦斯浓度测试曲线

4.3 人员定位测试

在进行人工定位试验时，矿灯的实际位置在（50、0）~（500、0）之间，每隔50m 放置一盏矿灯，共计10 组。利用RSSI法和空间几何学的方法，计算出了矿灯的位置坐标，并与矿灯的实际位置进行了比较，并进行了统计。经过10个试验，其误差在1.6~3.1m之间。

5 结论

（1）该系统采用STC 15W408AS 低功率单片机为核心，采用传感器技术，实现了对煤矿瓦斯浓度、人员位置的实时监控；利用定位系统和数据传输系统，实现对矿井瓦斯浓度和人员实时位置的实时监测，从而达到瓦斯浓度超标的目的。

（2）建立一个智能化的矿灯测试场景，完成能源消耗测试、气体浓度测试和人员位置测试。实验结果显示：①本发明的矿灯能量消耗小，可实现待机、体眠、空闲、工作4种工作方式的无缝切换，确保8h内的光照时间；②可实现矿灯位置瓦斯的实时监控，并将其位置的瓦斯浓度数据上传，实现了瓦斯浓度的超限预警；③该矿灯能在矿井内进行人员的位置定位，其位置误差在1%以内。

（3）该矿灯可实现井下照明、瓦斯浓度监测、人员定位等功能，为矿井提高灾害预警、提高矿井安全管理水平提供了有益的借鉴。