基于物聯網的礦井智慧照明系統的設計及應用

原紅飛

(潞安環能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

在生產和生活中，節能不僅能夠節約成本的損耗，也能夠有效地避免不必要的設備損耗。在我國的各個領域均有不同的科研人員設計節能的照明系統，比如聲控燈、光控燈等，同樣，煤礦井下的照明要求更高，幾乎是24 h不間斷使用，因此耗電量更大。隨著物聯網信息技術的發展，目前智慧照明系統已經普遍應用在了各個行業，建設一套適用于礦井的智慧照明系統就顯得十分必要了。

礦用巷道燈廣泛適用于有甲烷、煤塵等爆炸性混合氣體的環境，用作巷道或固定地點的照明，比如在煤礦運輸大巷、井底車場、機電硐室等地點均普遍使用。巷道燈一般具備防爆等級高、壽命長的優點。

1 基于物聯網的礦井智慧照明系統的設計

1.1 設計內容

1) 設計一套既能雙向通信，又能存儲數據的高性能智慧照明分站，按照“符合規程、按需照明、動態調整”的原則，實現節約能源、光強適度功能，動態調整時間小于5sec。

2) 設計智慧照明嵌入式控制裝置，安裝在巷道燈配電裝置內的防爆腔中，實現智慧照明控制動態調整及時。

3) 設計基于煤礦綜合監控系統的遠程監控軟件系統平臺，與智慧照明嵌入式控制裝置配合，實現遠程監控。

1.2 應達到的技術指標和參數

物聯網智慧照明系統應達到的指標見表1。

表1 物聯網智慧照明系統應達到的指標和參數

1.3 組網原理及網絡構成

1) 物聯網通過各種裝置與技術，實時采集需要監控、連接、互動的物體或過程，通過各種可能的網絡接入，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理，將各種信息傳感設備與互聯網結合起來而形成一個巨大網絡，是互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡。本系統利用智慧照明技術實現LED照明應用的需求，拓展能力好，可以有效節約能源，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。

2) 采用基于物聯網的ZigBee無線模塊構成通信網絡，實現LED照明系統的智能化、數字化、網絡化。ZigBee能夠在數千個微小的傳感傳動單元之間相互協調實現通信，并且這些單元只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個網絡節點傳到另一個節點，所以它的通信效率非常高，這種技術低功耗、抗干擾、高可靠、易組網、易擴容、易使用、易維護、便于快速大規模部署等特點順應了物聯網發展的要求和趨勢。

3) 組網結構采用終端匹配的總線型結構，傳輸采用RS485傳輸模式，利用雙絞線或監控電纜實施數據傳輸。距離較短時采用雙絞線，距離長時使用專用阻抗匹配(一般為120 Ω)的RS485專用電纜，干擾嚴重的地方需要使用屏蔽式電纜，將計算機技術、自動控制技術、單片機技術、網絡通信技術、傳感器技術等一系列現代技術進行融合，具備非常豐富且能夠不斷擴展的功能。

2 雷達感應LED巷道燈的設計

2.1 感應燈的設計

首先在感應燈具里面，雷達感應比原來傳統的聲控感應和人體紅外感應更智能，雷達感應的是明顯的移動物體，感應靈敏度比較高，人來燈亮人走燈滅或者微亮，感應距離也比較遠(可達5～10 m)，人未到燈已亮，而且不受環境和聲音分貝的影響，雷達感應可以穿透非金屬物體來感應，無需外露感應探頭，隱秘性比較高不會影響燈具外觀。但是雷達感應怕金屬，金屬會屏閉感應信號，所以建議燈具安裝時感應面不要有金屬物體遮擋，最好盡量避免靠近金屬物體，并且燈與燈之間安裝間隔最少在2.5 m以上。目前，雷達感應也是替代傳統聲控感應和紅外人體感應的最佳選擇。

2.2 雷達感應電器設計

微波感應控制器采用STM32系列中央處理器，由覆銅板環形線路和微波電路組成一個微波振蕩器，環形天線既做發射信號用，同時也用于接收反射回波用。其控制器軸線方向產生一個橢圓形半徑為0～5.5 m空間微波識別區，當人體或車輛活動時，天線接收到回波信號后，在半導體PN結與原微波混頻后差拍得到頻移信號 。該信號通過微波專用處理電路，將小動物、遠距離的物體晃動、高頻雜波信號等引起的干擾去除，避免誤觸發，提高可靠性。將一定強度的頻移信號轉化成脈寬調制信號(PWM)，電路只識別脈沖足夠寬的單體信號，如人體、車輛其鑒別電路才被觸發。微波感應控制器工作非常可靠，一般沒有誤報，比紅外線、超聲波等原理的觸發電路更為可靠，是目前用于安全防范和自動監控的最佳產品，其檢測靈敏度高，探測范圍寬，誤觸發極低，能在-25～+45°的溫度范圍內穩定工作,非常適合井下復雜環境下使用。

3 應用效果

為了驗證基于物聯網的礦井智慧照明系統設備的應用效果，在對漳村礦幾個現場考察調研后，選擇在漳村礦井下二部膠帶巷進行現場試驗。

安裝完成后，當人員靠近感應燈時，燈光變亮，當人員遠離后，燈光變暗。經濟效益分析如下。

3.1 未采用智能燈時的耗電量

按照每盞燈功率為18 W計算，在未實行自動控制之前，每日每盞燈的的耗電量為：

18×24=432 W·h

按照每5 m一盞燈計算，一條1 000 m的巷道需安裝燈200盞，累計日耗電量為：

432×200=86 400 W·h

3.2 采用智能燈時的耗電量

智能燈在待機狀態下，每日每盞燈的功率約為6 W，根據實際經驗，考慮人員經過主要集中在上下班期間，每天有6 h采用高功率供電。1 000 m巷道實際用電量為：

6×18+18×6=216 W·h

同樣按照每千米巷道200盞燈計算，累計日耗電量為：

216×200=43 200 W·h

綜上，井下每1 000 m巷道日節約電量為86 400-43 200=43 200 W·h，節電效率提升50%。漳村礦膠帶巷共計照明燈1 600余個，預計全部采用后可節約電量259.2 kW·h，按照每千瓦電費0.844元計算，每日可節約用電成本218.7元，全年累計節約資金近8萬元。

4 結 語

漳村礦采用本項目成果后，照明能耗大大降低，應用結果表明：整個工作面照明節能平均率均達到 50%以上，較原先節能技術提高 30 個百分點以上。實現了遠程開關降低能耗，可以實現其他控制方式不能達到節能效果，突破性地解決了節能降耗的難題，一次投入，長期受益，產生了較大的經濟和社會效益。