基于瓦斯监测与人员定位的智能矿灯的设计.pdf
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1、2023年第10期西部探矿工程*收稿日期:2022-09-29作者简介:郑孝磊(1989-),男(汉族),山西长治人,助理工程师,现从事矿井自动化装备应用及拓展融合工作。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)摘要:针对潞安化工集团某矿现用矿灯存在功能单一、不能准确采集矿灯四周的瓦斯浓度以及不能进行矿井人员定位等不足,对此,设计出一种以STC15W408AS CPU智能控制器为核心的智能矿灯,介绍了该智能矿灯的结构及具体工作原理,设计了该智能矿灯控制系统的硬件部分及软件部分,并对该智能矿灯系统进行了多方面的应用测试,测试结果表明:该智能矿
2、灯控制系统,能耗低,瓦斯浓度监测准确以及人员定位精准,进一步提高了矿井智能化水平,更好地保障了矿井安全生产。关键词:智能矿灯;结构;硬件;软件;功能;效果中图分类号:TH132 文献标识码:A 文章编号:1004-5716(2023)10-0170-04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
3、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
4、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
5、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
6、 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CC1101RF1702023年第10期西部探矿工程超低功率单片机,功率消耗在 10mA 左右,工作频率433MHz,在100500m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。
7、见图2。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
8、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最小的图1智能矿灯系统设计原理图2瓦斯浓度检测电路图3智能矿灯人员定位原理1712023年第10期西部探矿工程定位系统依据空间
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