煤礦井下人員“三網合一”智能綜合管理系統的應用研究

彭云　王官升　安雁

【摘 要】煤礦井下人員“三網合一”智能綜合管理系統是將虹膜識別系統、礦燈智能充電管理系統及井下人員跟蹤定位系統相互綁定，虹膜識別系統中的下井人員身份信息能在礦燈智能充電管理系統中得以識別并顯示，使得考勤記錄信息能夠精確到每個人，從而為采用RFID無線射頻識別技術的跟蹤定位系統的實施奠定良好的基礎。

【關鍵詞】三網合一；智能；綜合管理；虹膜識別；智能充電；跟蹤定位；RFID

【Abstract】“Three Integrated Networks” intelligent management system of the coal mine workers binds mutually the iris recognition system， the miner intelligent charging management system and the underground workers tracking-positioning system. The identity information of workers going down in the iris recognition system can be identified and displayed in the miner intelligent charging management system， thus laying a good foundation for tracking-positioning system using RFID technology to implement， make attendance record information accurately to each worker.

【Key words】Three Integrated Networks； intelligent； Integrated management； Iris recognition； Intelligent charging； Tracking-positioning； RFID

0 引言

我國是全球產煤量最多的國家，2013年全國煤炭產量完成37億噸，百萬噸死亡率為0.293，雖然歷史上首次降到0.3以下，但它和先進的產煤國家比較，還是先進國家的10倍。因此煤礦安全生產一直都是政府和煤炭生產企業以及社會關注的問題，然而由于造成煤礦發生事故的原因很多，如：瓦斯爆炸、冒頂、透水和漏電等因素，所以在煤礦生產過程中，人力不可避免的、突發性的事故時有發生。因此，如何在礦難事故發生后準確、實時、快速確定井下工作人員的具體位置，并及時做好井上與井下人員的信息通訊工作也一直是人們關注的焦點。

限于國內多數礦井救護技術裝備的落后，地面對井下人員的監控不完善，人員分布情況的定位不清楚，因而也就無法進行有效的營救工作。目前，國外以美國霍尼韋爾公司為代表的煤礦人員管理系統多數采用無線射頻識別（Radio Frequency Identification，以下簡稱RFID）技術[1-2]與Zigbee無線網絡技術。國內僅局部有射頻卡類礦山人員定位系統應用，但效果不佳。煤礦井下人員“三網合一”智能綜合管理系統是將虹膜識別系統[3]、礦燈智能充電管理系統和井下人員跟蹤定位系統[4]相互綁定，將考勤記錄信息精確到每個人[5]，從而能夠更加準確、有效地確定井下作業人數和具體位置，不僅在礦難發生后便于有效、積極地開展營救，而且在日常生產中能有效地掌握人員分布情況，安排和調度工作，提高煤炭生產的管理水平[6]。

1 系統整體設計

1.1 系統概述

首先，入井人員通過虹膜識別系統進行注冊、識別，獲得領取礦燈的認證，同時虹膜識別記錄其入、出井的時間。其次，礦燈智能充電管理系統主要是完成領取礦燈人員的識別，并顯示使用人員信息、礦燈充電狀態。該系統能夠顯示的充電參數，如領取礦燈人員的姓名、所在部門、礦燈編號、壽命、充電狀態及取走時間等信息，目前國內外能在每個充電燈位上顯示諸多數據信息的智能充電架尚無問世。虹膜識別系統中的人員身份信息能在礦燈智能充電管理系統中識別并顯示。最后，井下人員跟蹤定位系統是在巷道的入井、交叉口及采掘工作面入口等安裝讀卡器，每位入井人員隨身攜帶身份標識卡，當通過讀卡器時信息被記錄并上傳至井上監控機，從而能夠精確、實時地掌握井下作業人數和具體位置。

1.2 虹膜識別系統

虹膜識別技術是由中科院自動化所于1998年開始進行的研究，2000年具有自主知識產權的虹膜識別系統研發成功[3]。虹膜由許多腺窩、皺褶、色素斑等構成，是人體中最獨特的結構之一。其高度的獨特性、穩定性及不可更改的特點，是當前身份鑒別應用最為方便和精確的一種[5]。

1.3 礦燈智能充電管理系統

系統可實現5～60個充電架的管理，每個充電架能對96盞礦燈同時充電及管理。如下圖1所示。

1.4 井下人員跟蹤定位系統

1.4.1 RFID技術

RFID技術起源于20世紀40年代雷達技術的發展[7-8]，是從20世紀90年代興起的一項自動識別技術[4]。RFID由標識卡、讀卡器和天線三部分組成[1-2]。井下人員每人配帶一個和讀卡分站配套帶有固定編號的標識卡，卡內存有唯一的卡號，與此卡號相對應的礦工身份信息存入數據庫。讀卡器有不同的地址，適當數量的讀卡器使用RS485組成一個讀卡分站，分站的各個站點組成CAN[9]總線網絡，并連接到地面上位機。隨身的標識卡固定時間發出一個頻率信號，當經過與讀卡器的距離小于100m時，讀卡器識別標識卡并將射頻卡號和自身卡號，通過工業以太網傳輸給數據中心站，數據中心站的服務器負責將其進行處理，并自動對數據庫中的數據進行更新存儲[10]。

1.4.2 CAN-以太網結構布置

光纖千兆以太網，從井上到井下沿軌道大巷，再從皮帶輸送巷到井上組成環網，為主干通信網絡，可同時實現礦井自動化、安全監控以及人員綜合管理的信息傳輸。井下盤區入口處安裝以太網交換機以及第二層千兆以太網，井下回采工作面入口、掘進工作巷入口、變電站及指揮場所等安裝二級以太網交換機。以太網每個交換機都連接一個網關，其作用是將以太網傳輸協議轉換成CAN總線協議。為提高網絡的可靠性，CAN總線采用分布式結構布置，即多個獨立的CAN總線分別連接第一層和第二層以太網，因此當某一段CAN總線有故障，其它CAN總線不會受到影響。如下圖2所示。

1.4.3 Zigbee技術

井下礦工配戴的信息礦燈中裝有標識卡，信息礦燈與LED節能巷道燈聯鎖，信息礦燈每2s發送一次頻率信號，當它進入帶有“Zigbee”無線網絡管理的區域中，LED節能巷道燈接收到信號后就會全功率照明，如果4s后沒有接收到信號，就會以1W低功率點燃。信息礦燈與自救器聯鎖，當礦工取下笨重的自救器進行工作時，信息礦燈就會持續閃爍，警示人員。

2 系統硬件的應用設計

2.1 虹膜識別系統[3]

該系統包括注冊單元，完成人員基本信息與虹膜信息的注冊；識別單元，完成人員身份識別、考勤與傳輸等功能；服務器單元，完成人員的考勤、日志記錄以及數據的備份等功能；監測單元，基于B/S構架進行實時監測和在線管理。

2.2 礦燈智能充電管理系統

2.2.1 充電板

充電板可實現4.2V/（1.8～4Ah）鋰電池充電，充電電流在600～950mA。由于采用專用鋰電池充電芯片，因此可進行三階段充電，即涓流、恒流、恒壓充電。充電板可輸出充電、充滿、有無燈信息供數據采集板使用。

2.2.2 數據采集板

數據采集板的核心芯件采用ARM-STM32F103的32位單片機，所以具有很強的數據處理能力，包括數據I/O量、A/O量采集、數據顯示和數據RS485傳輸。數據采集板可實現12個充電板的數據采集與處理，并通過RS485接口將采集的數據傳輸給數據收發板。在數據采集板上有一個供顯示用的輸出端口，串行連接12塊4位LED數據顯示模塊，當無礦燈充電時，顯示礦燈編號；當有礦燈充電時，顯示電池電壓；當礦燈電池充滿時，交替顯示礦燈編號和電池電壓；當礦燈或充電板出現故障時，采用間斷顯示礦燈編號的方式來報警。

2.2.3 數據收發板

數據收發板的芯件同樣采用32位ARM-STM32F103單片機，對采集的數據匯總、打包、緩存。當上位機需要數據時，數據收發板通過以太網線接口將數據發送進行處理。數據收發板的使用可大大提高系統對數據的處理速度。

2.2.4 顯示板

顯示板在充電架上共有96塊，用來顯示礦燈的充電參數，如礦燈編號、電池電壓、充電、充滿、取走等。

2.3 井下人員跟蹤定位系統

2.3.1 硬件結構

網關采用32位ARM-STM32F103單片機為核心處理芯片，一端連接以太網，另一端連接CAN總線。以太網處理芯片采用SPI同步串口的ENC28J60芯片，輸出采用20F001N及RJ-45接口。CAN總線接口采用SN65HVD230芯片，輸出為三線，其中一根為地線口，內部采用大容量串行FLASH25VF016存貯器。

2.3.2 讀卡器

讀卡器同樣采用32位ARM-STM32F103單片機為核心處理芯片，無線收發模塊采用Si4432芯片，發射功率為+20dbm，接受靈敏度為-116dbm，空曠通訊距離大于2000m，工作頻率為：240～930MHz。32位ARM-STM32F103單片機與Si4432通過串口連接，將從無線口接受到的數據通過CAN總線的接口芯片SN65HVD230輸出。

2.3.3 標識卡

識別卡采用 8位單片機和Si4421無線收發芯片組成。Si4421工作在433MHz、868～915MHz以及2.4GHz三個頻段，采用GFSK載頻調制，發射功率為5～10dbm。移動標識卡每隔2秒鐘發送一次信息，發送時首先監視空中有無該頻率的無線信號，如果有就等到信號結束，再延時一個隨機時間，如果無信號，就將自己的信息發送出去。如果取Si4421傳輸速率為中間值128kbps， 每個標識卡所發送的信息量為320bps，1s即可傳輸400個標識卡的信息。

3 結語

隨著無線技術的快速發展，它會在越來越多的領域得以應用。煤礦井下人員“三網合一”智能綜合管理系統采用將虹膜識別系統、礦燈智能充電管理系統及井下人員跟蹤定位系統相互綁定的技術模式，為確定井下作業人員數和具體位置提供更有力的保障。雖然，目前的技術還達不到監控人員任何時刻的精確位置，但隨著創新技術的不斷發展，堅信會有更為完善的智能管理方案出現。

【參考文獻】

[1]游戰請，李蘇劍.無線射頻識別技術（RFID）理論與應用[M].電子工業出版社，2004，10.

[2]周曉光，王曉華.射頻識別（RFID）技術原理和應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[3]北京中科虹霸科技有限公司.虹膜識別技術在礦山人員安全管理中的應用[EB/OL].2007，02（4）：64-65.

[4]段銀聯.基于RFID技術的礦井人員定位監控系統研究[D].安徽：安徽理工大學，2009，06.

[5]徐濟仁，陳家松，等.基于虹膜識別和RFID的礦山人員安全管理方案[J].煤炭科學技術，2010（4）：75-78.

[6]李洪宇.井下人員定位系統[D].濟南：山東科技大學，2004.

[7]Mahmound S F Wait J R Guided Electromagnetic Waves in a Curved Rectangular Minetunnel. Radio Science， 1974， 9： 567-572[Z].

[8]Beckmann P，Spizzichino A. The Scattering of Electromagnetic Waves from Tough Surfaces[J]. Radio Science， 1998， 33（5）： 1130-1132.

[9]遲東民.基于CAN總線分布式監控系統的設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2005.

[10]國家安全生產監任管理局、國家煤礦安全監察局.國家安全生產科技發展規劃[R].煤礦領域研究報告，2003，12.

[責任編輯：楊玉潔]