煤矿井下人员定位系统设计与应用研究

牛妍齐

（潞安化工蒲县伊田煤业有限公司，山西 临汾 041200）

1 概 况

我国煤炭掘进环境恶劣，为了降低事故出现时的人员损伤，除了提高井下人员安全意识、规范安全作业、加强煤炭井下作业人员的管理等措施之外，也需借助现代化技术手段实时跟踪井下工作人员的具体位置，当煤炭工作面发生事故时，能够及时通知井下工作人员逃生，便于开展救援工作。因此，针对伊田煤业井下人员定位系统的需求，开展人员定位系统的设计与应用研究工作具有重要意义。

伊田煤业井下人员定位系统设计的目标是提高工作人员调度的时效性，使调度中心能够快速准确的统计井下作业人员的位置，通过集控中心发出的调度指令指导井下作业人员及时到达指定位置工作；实现井下作业人员的紧急呼叫，当煤矿井下工作面发生紧急情况时，井下作业人员可以发出报警信号，传输至地面监控中心告知监控人员，同样当井上监控人员发现井下存在安全隐患或者出现禁区进人时，可以通过定位系统发出警告信息。

2 定位系统方案

依据伊田煤业实际情况，人员定位系统方案设计如图1 所示。由图1 可以看出，人员定位系统包括人员识别卡、子读卡器、主读卡器以及上位机等部分，其中子读卡器为煤矿井下工作面内部布置的监测点；主读卡器作为采集数据的网关；上位机是定位系统的重要组成部分，实时显示井下作业人员的位置关系。人员识别卡与子读卡器之间的无线通信网络采用了433 MHz 的无线传感技术，为了保证数据通信的可靠性，子读卡器与主读卡器之后的数据通信使用了工业CAN 总线，主读卡器与上位机之间的数据交互使用的是TCP/IP 协议。

3 定位系统功能设计

3.1 主读卡器功能

主读卡器在系统运行时的主要功能包括：一是数据网关，用于数据信息的传输、总线协议的转换、数据的解析与组包等工作；二是数据信息的缓存，用于脱机状态下主读卡器与上位机之间传输数据的缓存，待其重新联机后上传历史数据，设置的缓存数据时间为7 d。

3.2 子读卡器功能

子读卡器工作过程中的主要功能是数据中继，即完成与主读卡器和识别卡的通信，还负责CAN总线与无线链路的数据中继。子读卡器运行时的主要任务是监听识别卡信息和主读卡器的指令信息，在读取得到识别卡的信息数据后，进行信息的识别与处理，经CAN 总线传输至主读卡器；当子读卡器接收到主读卡器的指令信息时，立即下发至目标识别卡直到收到已接收信息为止。

3.3 人员识别卡功能

人员识别卡的功能是向子读卡器发送识别卡的ID 信息、电池电量等数据信息，当井下作业人员遇到危险情况时，可以立即触动识别卡中的报警按钮，发出报警信息。识别卡还可以接收子读卡器发出的呼叫信号，信号形式为亮灯或者蜂鸣等，告警亮灯次数设置为100 次，蜂鸣器发出声响10 次。

4 人员定位系统软件设计

4.1 主读卡器工作流程

主读卡器数据通信协议使用的是TCP/P 通讯协议，实现与上位机、子读卡器等部件的通信，主读卡器向上位机传输的数据信息主要包括定位信息、电源信息和报警信息。定位信息处理涉及井下作业人员的行为、移动等动作的辨识，之后将定位信息上报，包括时间、识别卡编号、动作、预警等信息。电源信息包括电量、场强等信息，电源信息采集周期可以由用户通过远程进行设置。报警信息主要是指声光告警，通过一个DO 口进行传输，由上位机的指令进行控制。

4.2 子读卡器工作流程

各子读卡器以树型结构接入主读卡器。子读卡器与主读卡器之间的通信协议使用的是CAN 总线，编制了对应的Z- WMCP 数据通信协议与识别卡进行通信。子读卡器识别获取识别卡的信息，如涉及人员定位信息、报警信息等，之后对相关信息进行预处理，将处理后的数据通过CAN 总线上报主读卡器。

4.3 人员识别卡工作流程

人员识别卡要求每人佩戴1 支，且该识别卡卡号与作业人员一一对应，达到采集数据与作业人员身份的识别的目的。为了提高识别卡的电能利用率，将其设计为2 种模式，即工作模式和休眠模式。工作时电源正常供电，非工作时进入休眠模式，耗电量极低。因此，井下作业人员应用识别卡之前需要唤醒，使其进入工作模式，井下作业人员离开矿井之后启动识别卡的休眠操作。休眠状态下的识别卡能够采用无线通信方式完成运行参数的设置。识别卡软件运行流程如图2 所示。

图2 识别卡软件运行流程Fig. 2 Running process of identification card software

5 关键件选型设计

5.1 主读卡器

定位系统主读卡器型号为STM32F107，内部集成了多种标准接口，具有很好的兼容性。微控制器外部设备涉及定时器、数模转换器、模数转换器、各种信号接口等，其中最明显配置是全速USB（OTG） 接口和CAN2.0 接口，满足其应用于煤矿井下复杂环境中的条件，能够保证信号的无线传输与较强的抗干扰性能。主读卡器的硬件结构如图3 所示。

图3 主读卡器硬件结构Fig. 3 Hardware structure of the main card reader

5.2 子读卡器

子读卡器硬件结构如图4 所示。

图4 子读卡器硬件结构Fig. 4 Hardware structure of the child card reader

子读卡器选择型号为CC430F5137 的微处理器，内部配置了射频收发器内核，集成了微控制器内核、外部设备、软件、射频发射器等器件，具有很高的功能集中性。子读卡器配置了32 kB 的可编程闪存，RAM 的内存大小为4 kB，同时，其内部还有2 个16 位的控制器，1 个128 位AES 安全加速器，还有各种驱动器及约30 个接线引脚，具有很好的可扩展性能。

6 结 语

基于伊田煤业井下人员定位系统的需求，开展了井下人员定位系统的功能设计、软件设计和关键硬件选型等工作，完成了井下人员定位系统的设计工作。为了验证系统设计的可行性和实用性，对其进行试运行，跟踪记录运行情况。结果表明，井下人员定位系统运行稳定可靠，实现了井下工作人员实时定位功能。统计数据显示，井下人员定位系统应用后，井下作业人员的工作效率提高了近8%，发生事故的概率降低了近10%，保证了井下作业人员和设备的安全，提高了煤炭的产量，预计为煤炭企业新增经济效益近80 万/a，取得了很好的应用效果。