煤礦井下人員定位系統設計與應用研究

牛妍齊

（潞安化工蒲縣伊田煤業有限公司，山西 臨汾 041200）

1 概 況

我國煤炭掘進環境惡劣，為了降低事故出現時的人員損傷，除了提高井下人員安全意識、規范安全作業、加強煤炭井下作業人員的管理等措施之外，也需借助現代化技術手段實時跟蹤井下工作人員的具體位置，當煤炭工作面發生事故時，能夠及時通知井下工作人員逃生，便于開展救援工作。因此，針對伊田煤業井下人員定位系統的需求，開展人員定位系統的設計與應用研究工作具有重要意義。

伊田煤業井下人員定位系統設計的目標是提高工作人員調度的時效性，使調度中心能夠快速準確的統計井下作業人員的位置，通過集控中心發出的調度指令指導井下作業人員及時到達指定位置工作；實現井下作業人員的緊急呼叫，當煤礦井下工作面發生緊急情況時，井下作業人員可以發出報警信號，傳輸至地面監控中心告知監控人員，同樣當井上監控人員發現井下存在安全隱患或者出現禁區進人時，可以通過定位系統發出警告信息。

2 定位系統方案

依據伊田煤業實際情況，人員定位系統方案設計如圖1 所示。由圖1 可以看出，人員定位系統包括人員識別卡、子讀卡器、主讀卡器以及上位機等部分，其中子讀卡器為煤礦井下工作面內部布置的監測點；主讀卡器作為采集數據的網關；上位機是定位系統的重要組成部分，實時顯示井下作業人員的位置關系。人員識別卡與子讀卡器之間的無線通信網絡采用了433 MHz 的無線傳感技術，為了保證數據通信的可靠性，子讀卡器與主讀卡器之后的數據通信使用了工業CAN 總線，主讀卡器與上位機之間的數據交互使用的是TCP/IP 協議。

3 定位系統功能設計

3.1 主讀卡器功能

主讀卡器在系統運行時的主要功能包括：一是數據網關，用于數據信息的傳輸、總線協議的轉換、數據的解析與組包等工作；二是數據信息的緩存，用于脫機狀態下主讀卡器與上位機之間傳輸數據的緩存，待其重新聯機后上傳歷史數據，設置的緩存數據時間為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據中繼，即完成與主讀卡器和識別卡的通信，還負責CAN總線與無線鏈路的數據中繼。子讀卡器運行時的主要任務是監聽識別卡信息和主讀卡器的指令信息，在讀取得到識別卡的信息數據后，進行信息的識別與處理，經CAN 總線傳輸至主讀卡器；當子讀卡器接收到主讀卡器的指令信息時，立即下發至目標識別卡直到收到已接收信息為止。

3.3 人員識別卡功能

人員識別卡的功能是向子讀卡器發送識別卡的ID 信息、電池電量等數據信息，當井下作業人員遇到危險情況時，可以立即觸動識別卡中的報警按鈕，發出報警信息。識別卡還可以接收子讀卡器發出的呼叫信號，信號形式為亮燈或者蜂鳴等，告警亮燈次數設置為100 次，蜂鳴器發出聲響10 次。

4 人員定位系統軟件設計

4.1 主讀卡器工作流程

主讀卡器數據通信協議使用的是TCP/P 通訊協議，實現與上位機、子讀卡器等部件的通信，主讀卡器向上位機傳輸的數據信息主要包括定位信息、電源信息和報警信息。定位信息處理涉及井下作業人員的行為、移動等動作的辨識，之后將定位信息上報，包括時間、識別卡編號、動作、預警等信息。電源信息包括電量、場強等信息，電源信息采集周期可以由用戶通過遠程進行設置。報警信息主要是指聲光告警，通過一個DO 口進行傳輸，由上位機的指令進行控制。

4.2 子讀卡器工作流程

各子讀卡器以樹型結構接入主讀卡器。子讀卡器與主讀卡器之間的通信協議使用的是CAN 總線，編制了對應的Z- WMCP 數據通信協議與識別卡進行通信。子讀卡器識別獲取識別卡的信息，如涉及人員定位信息、報警信息等，之后對相關信息進行預處理，將處理后的數據通過CAN 總線上報主讀卡器。

4.3 人員識別卡工作流程

人員識別卡要求每人佩戴1 支，且該識別卡卡號與作業人員一一對應，達到采集數據與作業人員身份的識別的目的。為了提高識別卡的電能利用率，將其設計為2 種模式，即工作模式和休眠模式。工作時電源正常供電，非工作時進入休眠模式，耗電量極低。因此，井下作業人員應用識別卡之前需要喚醒，使其進入工作模式，井下作業人員離開礦井之后啟動識別卡的休眠操作。休眠狀態下的識別卡能夠采用無線通信方式完成運行參數的設置。識別卡軟件運行流程如圖2 所示。

圖2 識別卡軟件運行流程Fig. 2 Running process of identification card software

5 關鍵件選型設計

5.1 主讀卡器

定位系統主讀卡器型號為STM32F107，內部集成了多種標準接口，具有很好的兼容性。微控制器外部設備涉及定時器、數模轉換器、模數轉換器、各種信號接口等，其中最明顯配置是全速USB（OTG） 接口和CAN2.0 接口，滿足其應用于煤礦井下復雜環境中的條件，能夠保證信號的無線傳輸與較強的抗干擾性能。主讀卡器的硬件結構如圖3 所示。

圖3 主讀卡器硬件結構Fig. 3 Hardware structure of the main card reader

5.2 子讀卡器

子讀卡器硬件結構如圖4 所示。

圖4 子讀卡器硬件結構Fig. 4 Hardware structure of the child card reader

子讀卡器選擇型號為CC430F5137 的微處理器，內部配置了射頻收發器內核，集成了微控制器內核、外部設備、軟件、射頻發射器等器件，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 的內存大小為4 kB，同時，其內部還有2 個16 位的控制器，1 個128 位AES 安全加速器，還有各種驅動器及約30 個接線引腳，具有很好的可擴展性能。

6 結 語

基于伊田煤業井下人員定位系統的需求，開展了井下人員定位系統的功能設計、軟件設計和關鍵硬件選型等工作，完成了井下人員定位系統的設計工作。為了驗證系統設計的可行性和實用性，對其進行試運行，跟蹤記錄運行情況。結果表明，井下人員定位系統運行穩定可靠，實現了井下工作人員實時定位功能。統計數據顯示，井下人員定位系統應用后，井下作業人員的工作效率提高了近8%，發生事故的概率降低了近10%，保證了井下作業人員和設備的安全，提高了煤炭的產量，預計為煤炭企業新增經濟效益近80 萬/a，取得了很好的應用效果。