李玉凤

(山西焦煤西山煤电斜沟矿，山西 吕梁 033602)

0 引 言

矿工随身佩戴的矿灯单一的照明功能已经不能满足井下工人日常作业要求，为增强井下作业工人的安全性，需增加瓦斯超限检测功能，提前预警保护矿工人身安全；需增加人员定位功能，保证事故发生后有效定位并跟踪井下被困人员，保证救援及时。矿灯多功能化研究成果典型代表有：法国研发的裸铂丝传感器可实时监测矿井瓦斯浓度；俄罗斯量产并实际应用的瓦斯超限报警多功能矿灯；中国煤科重庆研究院研发的瓦斯报警矿灯等[1-3]。矿井人员定位以无线射频扫描、无线传感器网络定位两种方式为主。无线射频扫描方案需配置唯一ID识别卡、读卡器，当井下工人佩戴识别卡经过读卡器区域后，读卡器自动读取该ID号并上传至地面监控中心，缺点为易漏读识别卡、识别有效范围小、抗干扰能力弱、数据通信稳定性差。无线传感器网络定位方案需布置足够多的定位系统和矿灯系统并形成自组织网络，但定位距离较短，无法在井下复杂电磁干扰环境下大范围应用[4]。笔者设计了一种基于人员定位功能的智能矿灯系统，采用有线+无线传输方式实现井下工作人员跟踪定位，并在紧急情况时可传送呼救信号，增强井下作业人员安全防护措施。

1 智能矿灯系统结构及设计原理

智能矿灯系统设计原理如图1所示，由矿灯本体系统、定位系统、数据传输系统以及地面监视系统四部分组成。矿灯本体系统以STC15W408AS芯片为核心CPU，经CC1101RF无线发送模块可将人员位置信息以及该位置的瓦斯浓度值传送给定位系统[5]。定位系统内部的CC1101RF无线接收模块接收到数据后经STC15W408AS CPU处理以HL-PLC电力载波通信方案传送给数据传输系统。数据传输系统接收到数据后以CAN通信模式转送至地面监视系统，实现瓦斯浓度、人员实时位置的动态监视。定位系统与数据传输系统的通信模式除HL-PLC电力载波通信外，还可以以无线通信模式进行传输，以解决有线传输系统线路出现故障的应急通信。无线通信模式采用433 MHz无线通信技术，能够适应井下狭窄空间、障碍物多、干扰性强环境下的稳定通信，满足智能矿灯数据传输量小、自组网覆盖空间大的特点。定位方案采用基于测量信号强度的定位算法，只需测量信号的衰减度，无需增加额外的硬件设备。数据传输系统与地面监视系统间采用CAN总线通信实现数据传输，保证人员定位数据、瓦斯浓度数据传输的可靠性和稳定性。

图1 智能矿灯系统设计原理

2 系统硬件设计

智能矿灯系统硬件核心芯片为STC公司的STC15W408AS，该芯片具备低速、空闲、掉电/停机三种工作模式，功耗极低，可保证矿灯照明工作时间不低于8小时的要求。STC15W408AS芯片同时具备运算速度块、时钟精度高、工作频率范围宽、可远程唤醒、片内资源丰富的特点，满足智能矿灯设计要求[6-7]。无线通信模块选用CC1101RF超低功耗芯片，功耗约为10 mA，工作频率为433 MHz，传输距离为100～500 m。STC15W408AS与CC1101RF芯片的引脚以及连接原理图如图2所示。

图2 智能矿灯主芯片与无线模块连接原理图

选用MC112型催化燃烧式瓦斯浓度传感器，该传感器检测到瓦斯气体后，内部电阻急剧升高[8]，电阻值变化与检测到气体浓度成正比，输出信号值随瓦斯气体浓度增大而增大。MC112瓦斯浓度传感器响应时间小于10 s，恢复时间小于30 s，可靠性、稳定性好。瓦斯浓度检测电路如图3所示，采用催化燃烧式瓦斯浓度传感器。

图3 瓦斯浓度检测电路

智能矿灯系统硬件还包括模拟信号放大电路、RTC实时时钟电路、声光报警电路、电池电压检测电路、矿灯控制电路、电源管理电路、CAN总线通信电路等。

3 系统软件设计

3.1 矿灯系统软件

智能矿灯系统软件主要包括瓦斯浓度采集程序、声光报警程序、矿灯单系统自组网工作模式程序、矿灯多系统自组成工作模式程序，完成瓦斯浓度采集、声光报警、矿灯单系统/多系统自组网功能。上述程序采用模块化设计思想，基于Keil软件平台，采用C语言完成编写。

3.2 定位系统软件

智能矿灯定位系统软件用于完成无线数据接收以及人员定位功能。智能矿灯人员定位采用RSSI算法实现，以经过大量试验数据的经验模型曲线为基准，通过检测无线信号强度s可确定两点间的精确距离l。该曲线的横坐标为两点间无线信号强度，纵坐标为测量点与监测点间的距离。智能矿灯人员定位原理如图4所示，由一个矿灯、三个定位系统组成，该三个定位系统记录自身坐标信息。矿灯发射无线信号至最近的相邻三个定位系统后，定位系统记录该无线信号的强度值s1、s2、s3，并测算矿灯距离l1、l2、l3。每个定位系统将自身的s、l以及坐标信号以广播形式发送给相邻两个定位系统[9-10]。每个定位系统接收到两次临近定位系统数据后对三个矿灯距离l进行比较排序，由l值最小的定位系统根据空间几何原理计算矿灯实际坐标值并以HL-PLC电力载波通信模式传送给数据传送系统。

图4 智能矿灯人员定位原理

为保证数据传输的可靠性和稳定性，智能矿灯定位系统与数据传输系统、数据传输系统与地面监视系统间的通信协议统一采用如表1所列数据传输定义格式，包括了帧头、命令、数据长度、命令等级、矿灯ID、临近的三个定位系统ID、定位矿灯X/Y坐标、矿灯被测点瓦斯浓度值、瓦斯报警状态以及人员定位状态值。

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

该智能矿灯由锂电池供电，需至少持续照明8 h，需进行能耗测试。能耗测试电路由锂电池(3 000 mAh)、示波器、10Ω电阻以及矿灯组成，一次测试矿灯数量为10个，测试工作周期为15 min，每个矿灯工作时间为5 min，通过示波器统计并计算设计的智能矿灯系统的单位功耗，能耗测试电路示意图如图5所示。

图5 能耗测试电路示意图

根据记录并统计的能耗测试数据表2得知，该矿灯的待机功耗约为39 mA，每分钟功耗约为62 mA，按照每天工作时间8 h，10个矿灯一天总功耗数值为22 800 mAh，满足矿灯电池电量设计要求。

表2 10组矿灯能耗测试数据统计

4.2 瓦斯浓度测试

间隔50 m设置模拟瓦斯浓度监测点，在每一个监测点摆放一个定位系统以及一个矿灯，并经电缆与数据传输系统、地面监控系统(用计算机模拟)相连。测试时，依次开启三个矿灯、三个定位系统，向随机一个监测点密闭空间内释放瓦斯气体，通过计算机监控系统查看三个监测点的瓦斯浓度变化，可得出瓦斯浓度变化曲线图，当瓦斯浓度超限后，发出声光语音报警，测试曲线如图6所示。

图6 瓦斯浓度测试曲线

4.3 人员定位测试

进行人员定位测试时，模拟矿灯实际位置范围为(50，0)～(500，0)，间隔50 m设置一个矿灯，共10组。根据人员定位RSSI算法以及空间几何原理计算矿灯位置坐标信息，与矿灯实际位置坐标对比并进行统计，详细如表3所列。经10组数据测试，误差范围为1.6～3.1 m。

表3 人员定位数据统计表

续表3 人员定位数据统计表

5 结 论

(1) 基于瓦斯浓度监测和人员定位的智能矿灯以低功耗STC15W408AS芯片为核心，利用传感器技术实现矿井瓦斯浓度和人员位置的实时监测；利用定位系统、数据传输系统实现矿井瓦斯浓度、人员实时位置信息的远程地面监控，实现瓦斯浓度超限报警。

(2) 搭建智能矿灯试验场景，完成能耗测试、瓦斯浓度测试以及人员定位测试。测试结果表明：①该矿灯能耗较低，可实现待机、休眠、空闲、工作四种模式无缝切换，保证照明时长大于8 h；②该矿灯实时监测并上传矿灯所在位置瓦斯浓度信息，实现瓦斯浓度超限报警；③该矿灯可实现井下人员定位，定位误差小于1%。

(3) 该矿灯实现了井下照明、瓦斯浓度监测、人员定位功能，对提升井下灾害预警以及煤矿安全管理水平具有重要的意义。