一种基于ZigBee无线通信的新型智能语音矿灯

关丙火 傅阳

1.神华神东煤炭集团有限责任公司工程师 陕西榆林 719300

2.深圳市翌日科技有限公司产品经理 广东深圳 518000

随着我国科技水平日益提高，地下资源勘测技术越来越成熟，对于开采技术的要求也越来越高，部分矿井开采深度和范围都在逐步扩大，需要耗费大量的人力、物力；在开采过程中复杂的地形和闭塞的空间，是非常危险的，出现了的一些难以避免的人员伤亡给下井人员带来了巨大的伤害和压力，因此专门针对这一现象提出一套矿灯解决方案，可以有效减少灾难对人员带来的伤害[1]。矿灯属特殊型防爆产品，管理不妥会诱发的瓦斯煤尘爆炸事故[2]。近些年人们对于安全的重视度明显提高，因此增大了很多智能设备的应用力度，来保证下井作业人员的人身安全，最大限度减少损失。

矿井下环境恶劣，矿灯是下井作业人员的必备设备，用于日常工作的照明，同时还需要佩戴其他安全设备来保障人身安全，因此需要携带的设备往往较多，对作业人员来说极为不便，同时有些设备因碰撞容易造成损坏。佩戴设备中往往没有通话功能，遇突发状况很难做到及时与地面联系或向就近的同事求助。因此，针对类似问题进行了专项研究，自主研发了新型智能语音矿灯，具有体积小，功能齐全，人员佩戴方便的特点，同时可以与地面管理人员实现双向通话，及时沟通以解决突发状况，可以有效的预防灾难的发生。

1 现有矿灯现状

随着经济的繁荣和社会的进步，人们对于人身安全越来越重视，因此采购了大量设备来确保下井人员人身安全。矿灯作为井下日常照明使用，是下井设备中最为常见的设备。然而，每个下井人员佩戴矿灯的同时，还有其他众多的设备需要佩戴。给生命安全带来保障的同时也给身体增加了不少负担，降低了工作效率。对于特定的设备，还需要进行分类管理以防相互碰撞造成损坏。因此，繁重的设备和费神的设备管理，给人员下井作业带来了极大的不便。

目前市场上的矿灯功能单一，只能用作照明用途，再无其他功能。每次下井矿灯剩余电量信息无法掌握，且体积笨重，及其不方便作业，对于下井作业人员来说有很大的负担。部分矿灯产品可根据人员活动范围自动控制照明灯亮灭，一定程度上能减少电量消耗实现节能，但不能解决亮度、电容容量和复杂的需求[3]。

2 智能语音矿灯优势

本设备智能语音矿灯主要集成了照明、定位、语音通话三大功能，机身体积小，便于携带，正常照明使用可达20小时以上，充分满足了下井作业人员的需求。智能语音矿灯采用了锰酸锂电池作为电源，具有免维护、能量高、寿命长、重量轻、无液漏、无污染、无爆炸不起火、安全可靠等特点。

矿灯集成ZigBee定位、ZigBee语音、声光报警、灯线闪灯、工种标识灯、运动传感器等多个功能，减少矿工携带物品数量，提高工作效率。实物如图1。

2.1 照明功能

矿灯的照明功能为主要功能，是下井作业人员日常工作的核心用途。主要用途：用于矿山、石油、化工、铁路、运输、仓储等存在易燃易爆可燃气体的环境中安全照明、抢险救灾照明。在煤矿井下、隧道及各种地下工程、人防工程等场合发挥着重要的作用。

灯头部分采用新型的LED半导体照明作为光源，具有不发热，能耗小，发光效率高，寿命长（达到5万小时以上），安全可靠等特点。色温在9000-10000K，光线温和不刺眼。灯头内采用了不同亮度的双LED的光源，可以通过四档开关转换使用，主光源照度1800Lm并一直保持到20小时以上，辅光源照明时间可达60小时以上，比较符合矿井下作业使用需求。与老式矿灯比较，智能矿灯的照明光线更能保护眼睛，不刺眼，且功耗低可以使用更长时间[4]。

智能语音矿灯选用超大容量电池，保证矿灯的使用时间。在照明模式下可使用超过18小时，其他模式可以使用24小时以上。在电池电量过低，无法提供照明时，电池剩余电量仍可使发光灯线持续工作。在发生矿难情况下，矿灯电池被消耗过度，无法提供照明时，可以提供自身位置信息，使营救人员可以及时准确的查询使用者位置并进行营救，以此保证使用者的生命安全。

2.2 定位功能

定位芯片选用NXP公司最新推出的集成芯片，芯片上 JN5168无线微控制器兼容 IEEE802.15.4无线协议，因此完成芯片正常工作所必要的外围电路即可以实现测距、通信等功能，采用低功耗型ZigBee网络技术，使用TOF定位技术实现对矿灯进行精确定位，400米的测距数据精度可控制在3m以内。同时，可通过改进软件和优化定位算法，进一步减小定位误差。

众所周知，矿井下属于地表下部环境，厚厚地表层，使得手机网络无法使用。因此矿井下就是典型的环境未知地带，使得人们的活动难以控制，人身安全很难得到保证。所以矿井下利用ZigBee网络技术，通关布设相应的基站，从而组成一套完整的通讯网络，人员身上佩戴的矿灯，通过TOF定位技术对人员的位置进行精确定位[5]，利用对应的基站把相应的数据传输到环网再到地面，配合上层软件“煤矿人员管理系统”的使用和处理，从而将人员实时位置、人员运动轨迹、活动时间显示在电脑上，同时还可以为客户进行定制化服务，满足特殊要求。实时获取矿下人员的相关信息，方便井上管理人员及时发布危险预警信号和对人员的合理调度；另外一旦发生事故，可使救治工作以最快的速度有效展开，最大限度地减少灾害损失[6]。定位系统极大方便了管理人员，对整个矿井管理有了质的提升。

定位技术采用了JN5168低功耗ZigBee专用芯片，定位的误差距离可以控制在3m以内，在矿井下可以稳定接收发射ZigBee信号，保证信号稳定有效。

2.3 语音功能

智能语音矿灯利用煤矿人员管理系统，使用ZigBee网络技术，再结合Freeswitch电话交换平台可以实现与调度台双向语音。实现矿灯对调度台的一键式呼叫和调度台对矿灯的紧急呼叫，双方可以互相实现实时通话，遇突发情况可以及时沟通解决。

在矿灯正常使用时此功能不工作，以节省电力，保证电池的续航。当井下作业人员与地面管理人员使用调度台相互通信时，启动相应功能，井下人员可以一键呼叫调度台，同时调度台可以拨打矿灯佩戴人员对应的号码进行呼叫[7]。矿灯通过搭配智能网关系统，结合Freeswitch电话交换平台，可以利用SIP协议与市场上大部分IP电话进行相互通信；另外，矿灯采用低灵敏度麦克风对声音进行采集，以保障人员说话声音不被周围嘈杂环境影响，保障通话质量，同时矿灯的外侧面设计了扩音喇叭，增大通话音量以保障作业人员可听到对方声音。语音信息链路拓扑如图2所示。

语音通话电路的主控芯片采用ZigBee专用芯片CC2530，搭配AMBE1000+FM1188GE方案实现语音通话。

AMBE1000芯片专门对语音数据进行编码和解码，将语音数据压缩，减少占用内存，方便主控芯片对语音信号进行处理。FM1188GE芯片设置外设电路以及软件方式将喇叭信号输入MIC信号中，软件算法消除回声，同时精密调配MIC采集电路，使MIC效果达到最好，芯片为全双工，在通话时可同时发射与采集音频信号。通过R14、C49、R30、C47、R13链路，可以将喇叭的声音回传至芯片，利用软件算法将回声信号滤波消除，使得喇叭在通话对方不会听到自身回声，影响通话效果。

MIC部分通过精密电容匹配网络使得MIC效果得到最好，采集到较为清晰的人声，有效减少环境声音。

2.4 声光报警功能

在矿灯壳体的外侧配备有蜂鸣器，用矿灯上爆闪灯的闪烁进行撤离报警提示，同时在矿灯线上设置有报警指示灯，进一步强化提示报警功能[8]。

在矿井下嘈杂的环境中采用声音和光线两种报警方式，加强了报警的提示作用，使得井下作业人员可以及时得到警报提示，及时做出判断进行撤离，以最快速度解决问题，保障自身安全。

声音报警采用蜂鸣器方式起到警示的作用，在保证声音足够大的情况下尽量保证较低的功耗。蜂鸣器具有质量轻，体积小，价格便宜，电路较为稳定等特点；但是在矿井下嘈杂的环境中，长期的噪音有时会让人的听觉变的不灵敏，往往单独采用声音报警不能完全确保给到工作人员报警信号。因此，出现了采用声音加光线的报警方式，光线可以给人直观反映，矿井下环境较为黑暗，有了光线团队一起作业时，可以相互提醒指示，可以对使用者的人身安全发挥更大的作用。光线报警采用低功耗LED灯珠作为光源，具有发光角度小，使用寿命长的特点，光线使用环保PVC透明材料做成的导光灯线引导光线，整个灯线侧面可以发出不同颜色，起警示作用。此灯线有柔软、耐弯折、使用寿命长等特点，灯线从机身引出缠绕在灯头供电的线路中，可以发出较显眼光线。

采用全新的声光报警方式，在井下发生事故时也可使用，在电量极低情况下可以自动转为常量效果，用红色发光指示自身位置，使作业人员能尽快得到救援。

2.5 保护功能

在矿下复杂的环境中，当矿灯因短路而引起起火事故时，对贴身物品和使用者造成极大危害。为了避免此类事故，给矿灯增加了短路保护功能。矿灯电源电路加装矿灯短路保护器，动作灵敏可靠，当矿灯发生短路时，能在15ms内切断矿灯电源，保证了使用安全。当短路排除后，只需须对矿灯正常充电上后即可再次使用。这样既可以有效保护使用者的安全，同时也防止了电池因后端电路故障而引起的自燃、爆炸等意外事故[9]。

2.6 工种识别功能

井下作业人员由不同工种组成，完成一项任务往往需要多个工种人员一起协作完成。在昏暗且灰尘比较大的环境中，辨认施工人员的工种较为困难。智能语音矿灯在灯头上集成了工种识别功能，以灯头上等的颜色作为识别信号，一种颜色代表一个工种。灯头发光灯采用低功耗LED节能灯珠，灯珠采用雾状灯珠，灯珠发光角度大，对眼睛刺激小，适合用作提示源。灯光以最小系统进行控制，不间断闪烁，不但可以减少耗电，还可以有效的起到提示的用途。灯珠外壳采用透明保护罩，隔离外部异物的同时还有防水作用。

此功能便于管理人员进行管理，方便团体作业，易于识别自己工作团队。提高矿工井下工作的安全性。

2.7 运动检测功能

井下人员的活动轨迹反映着作业人员的工作状态。智能语音矿灯集成了运动检测功能，根据对矿灯芯片运动数据收集处理，调度中心可以通过系统管理界面清晰地了解每个矿灯的运动情况[10]。当人员长期静止不动时，报警提醒调度中心，有效加强人员安全管理，提高工作效率。同时，可通过本矿灯进行语音通话，以第一时间了解情况，若人员遇突发状况，调度台可在最短时间内对人员进行施救，减少灾难发生。

3 智能语音矿灯结构特性

结构概述：

灯如图3主要由灯头组件如图4、电池槽组件如图5两部分组成。灯头组件区别于普通矿灯主要在于：在灯头顶部增加了一个爆闪灯，用螺丝将爆灯及透明镜片固定在灯头壳体上；此灯可根据不同工种设置成不同颜色，在紧急情况下可以不停闪烁从而达到警示目的；电池槽组件结构如上图所示：装配时先将喇叭打胶固定于电池槽底壳，然后将底板PCB用螺丝固定于电池槽底壳底部，再将语音PCB、定位PCB通过排针插座插入底板PCB上；接着放入电池，然后用电池槽中框压住PCB板卡、电池，再盖上电池槽上盖，LED发光灯线板、蜂鸣器、咪头预先固定在上盖中。

4 结语

本设备相比传统矿灯具备了符合现代智能使用场景的强大功能。搭配上层的管理系统可以大大方便地面工作人员的管理，同时可以对矿灯佩戴人员进行实时监控，在遇到突发状况时第一时间可以进行语音沟通，解决问题，对隐患地方提前或及时了解从而做出相应动作，达到有效预防灾难发生的目的，增强对下井作业人员的人身保护。另外，方便在井下昏暗和多尘的环境进行工种的识别和管理；在意外情况发生时候通过声光报警的形式可快速把消息扩散，达到警示和提醒的作用。虽然矿灯增加了很多功能，但是本身重量没有增加太多，因此能减少作业人员的负担，极大地提高工作效率。本智能语音矿灯，既具备了智能应用的优势，又兼备了矿用灯大容量电池和光线足的实用本质，顺应了当下对智慧煤矿的号召。