煤礦井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

牛妍齊

（潞安化工蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200）

1 概 況

我國煤炭掘進(jìn)環(huán)境惡劣，為了降低事故出現(xiàn)時(shí)的人員損傷，除了提高井下人員安全意識(shí)、規(guī)范安全作業(yè)、加強(qiáng)煤炭井下作業(yè)人員的管理等措施之外，也需借助現(xiàn)代化技術(shù)手段實(shí)時(shí)跟蹤井下工作人員的具體位置，當(dāng)煤炭工作面發(fā)生事故時(shí)，能夠及時(shí)通知井下工作人員逃生，便于開展救援工作。因此，針對伊田煤業(yè)井下人員定位系統(tǒng)的需求，開展人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究工作具有重要意義。

伊田煤業(yè)井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是提高工作人員調(diào)度的時(shí)效性，使調(diào)度中心能夠快速準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)井下作業(yè)人員的位置，通過集控中心發(fā)出的調(diào)度指令指導(dǎo)井下作業(yè)人員及時(shí)到達(dá)指定位置工作；實(shí)現(xiàn)井下作業(yè)人員的緊急呼叫，當(dāng)煤礦井下工作面發(fā)生緊急情況時(shí)，井下作業(yè)人員可以發(fā)出報(bào)警信號(hào)，傳輸至地面監(jiān)控中心告知監(jiān)控人員，同樣當(dāng)井上監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)井下存在安全隱患或者出現(xiàn)禁區(qū)進(jìn)人時(shí)，可以通過定位系統(tǒng)發(fā)出警告信息。

2 定位系統(tǒng)方案

依據(jù)伊田煤業(yè)實(shí)際情況，人員定位系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1 所示。由圖1 可以看出，人員定位系統(tǒng)包括人員識(shí)別卡、子讀卡器、主讀卡器以及上位機(jī)等部分，其中子讀卡器為煤礦井下工作面內(nèi)部布置的監(jiān)測點(diǎn)；主讀卡器作為采集數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)；上位機(jī)是定位系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)時(shí)顯示井下作業(yè)人員的位置關(guān)系。人員識(shí)別卡與子讀卡器之間的無線通信網(wǎng)絡(luò)采用了433 MHz 的無線傳感技術(shù)，為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，子讀卡器與主讀卡器之后的數(shù)據(jù)通信使用了工業(yè)CAN 總線，主讀卡器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互使用的是TCP/IP 協(xié)議。

3 定位系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 主讀卡器功能

主讀卡器在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主要功能包括：一是數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，用于數(shù)據(jù)信息的傳輸、總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的解析與組包等工作；二是數(shù)據(jù)信息的緩存，用于脫機(jī)狀態(tài)下主讀卡器與上位機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的緩存，待其重新聯(lián)機(jī)后上傳歷史數(shù)據(jù)，設(shè)置的緩存數(shù)據(jù)時(shí)間為7 d。

3.2 子讀卡器功能

子讀卡器工作過程中的主要功能是數(shù)據(jù)中繼，即完成與主讀卡器和識(shí)別卡的通信，還負(fù)責(zé)CAN總線與無線鏈路的數(shù)據(jù)中繼。子讀卡器運(yùn)行時(shí)的主要任務(wù)是監(jiān)聽識(shí)別卡信息和主讀卡器的指令信息，在讀取得到識(shí)別卡的信息數(shù)據(jù)后，進(jìn)行信息的識(shí)別與處理，經(jīng)CAN 總線傳輸至主讀卡器；當(dāng)子讀卡器接收到主讀卡器的指令信息時(shí)，立即下發(fā)至目標(biāo)識(shí)別卡直到收到已接收信息為止。

3.3 人員識(shí)別卡功能

人員識(shí)別卡的功能是向子讀卡器發(fā)送識(shí)別卡的ID 信息、電池電量等數(shù)據(jù)信息，當(dāng)井下作業(yè)人員遇到危險(xiǎn)情況時(shí)，可以立即觸動(dòng)識(shí)別卡中的報(bào)警按鈕，發(fā)出報(bào)警信息。識(shí)別卡還可以接收子讀卡器發(fā)出的呼叫信號(hào)，信號(hào)形式為亮燈或者蜂鳴等，告警亮燈次數(shù)設(shè)置為100 次，蜂鳴器發(fā)出聲響10 次。

4 人員定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主讀卡器工作流程

主讀卡器數(shù)據(jù)通信協(xié)議使用的是TCP/P 通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)、子讀卡器等部件的通信，主讀卡器向上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息主要包括定位信息、電源信息和報(bào)警信息。定位信息處理涉及井下作業(yè)人員的行為、移動(dòng)等動(dòng)作的辨識(shí)，之后將定位信息上報(bào)，包括時(shí)間、識(shí)別卡編號(hào)、動(dòng)作、預(yù)警等信息。電源信息包括電量、場強(qiáng)等信息，電源信息采集周期可以由用戶通過遠(yuǎn)程進(jìn)行設(shè)置。報(bào)警信息主要是指聲光告警，通過一個(gè)DO 口進(jìn)行傳輸，由上位機(jī)的指令進(jìn)行控制。

4.2 子讀卡器工作流程

各子讀卡器以樹型結(jié)構(gòu)接入主讀卡器。子讀卡器與主讀卡器之間的通信協(xié)議使用的是CAN 總線，編制了對應(yīng)的Z- WMCP 數(shù)據(jù)通信協(xié)議與識(shí)別卡進(jìn)行通信。子讀卡器識(shí)別獲取識(shí)別卡的信息，如涉及人員定位信息、報(bào)警信息等，之后對相關(guān)信息進(jìn)行預(yù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過CAN 總線上報(bào)主讀卡器。

4.3 人員識(shí)別卡工作流程

人員識(shí)別卡要求每人佩戴1 支，且該識(shí)別卡卡號(hào)與作業(yè)人員一一對應(yīng)，達(dá)到采集數(shù)據(jù)與作業(yè)人員身份的識(shí)別的目的。為了提高識(shí)別卡的電能利用率，將其設(shè)計(jì)為2 種模式，即工作模式和休眠模式。工作時(shí)電源正常供電，非工作時(shí)進(jìn)入休眠模式，耗電量極低。因此，井下作業(yè)人員應(yīng)用識(shí)別卡之前需要喚醒，使其進(jìn)入工作模式，井下作業(yè)人員離開礦井之后啟動(dòng)識(shí)別卡的休眠操作。休眠狀態(tài)下的識(shí)別卡能夠采用無線通信方式完成運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置。識(shí)別卡軟件運(yùn)行流程如圖2 所示。

圖2 識(shí)別卡軟件運(yùn)行流程Fig. 2 Running process of identification card software

5 關(guān)鍵件選型設(shè)計(jì)

5.1 主讀卡器

定位系統(tǒng)主讀卡器型號(hào)為STM32F107，內(nèi)部集成了多種標(biāo)準(zhǔn)接口，具有很好的兼容性。微控制器外部設(shè)備涉及定時(shí)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、各種信號(hào)接口等，其中最明顯配置是全速USB（OTG） 接口和CAN2.0 接口，滿足其應(yīng)用于煤礦井下復(fù)雜環(huán)境中的條件，能夠保證信號(hào)的無線傳輸與較強(qiáng)的抗干擾性能。主讀卡器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 主讀卡器硬件結(jié)構(gòu)Fig. 3 Hardware structure of the main card reader

5.2 子讀卡器

子讀卡器硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 子讀卡器硬件結(jié)構(gòu)Fig. 4 Hardware structure of the child card reader

子讀卡器選擇型號(hào)為CC430F5137 的微處理器，內(nèi)部配置了射頻收發(fā)器內(nèi)核，集成了微控制器內(nèi)核、外部設(shè)備、軟件、射頻發(fā)射器等器件，具有很高的功能集中性。子讀卡器配置了32 kB 的可編程閃存，RAM 的內(nèi)存大小為4 kB，同時(shí)，其內(nèi)部還有2 個(gè)16 位的控制器，1 個(gè)128 位AES 安全加速器，還有各種驅(qū)動(dòng)器及約30 個(gè)接線引腳，具有很好的可擴(kuò)展性能。

6 結(jié) 語

基于伊田煤業(yè)井下人員定位系統(tǒng)的需求，開展了井下人員定位系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和關(guān)鍵硬件選型等工作，完成了井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和實(shí)用性，對其進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄運(yùn)行情況。結(jié)果表明，井下人員定位系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了井下工作人員實(shí)時(shí)定位功能。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，井下人員定位系統(tǒng)應(yīng)用后，井下作業(yè)人員的工作效率提高了近8%，發(fā)生事故的概率降低了近10%，保證了井下作業(yè)人員和設(shè)備的安全，提高了煤炭的產(chǎn)量，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近80 萬/a，取得了很好的應(yīng)用效果。