煤矿照明与安全监控系统用LED技术的实现方案

近年来，煤矿生产安全事故频繁发生，造成"大事故常犯，小事故不断"的严重现象，不仅严重威胁矿工的生命安全，也严重制约着经济的发展。煤矿井下作业因为远离地面，地形复杂，环境恶劣，导致事故频发。同时，国家对煤矿安全生产的管理力度在不断加强，各单位都在进行数字化矿井的建设和改造，并取得了一定的经济和社会效益。近年来，包括远程视频监控、远程矿井信息采集以及基于RF ID技术的身份识别等新技术正被迅速地应用到煤矿安全生产领域，对改善煤矿安全环境和建立实时监督管理有着重要的作用。为了从根本上解决煤矿安全问题，需要依靠科技手段提高煤矿整体安全技术装备与管理水平，建立一整套安全、实时、经济、可靠、完善的安全监控平台和安全管理体系是防止煤矿安全事故，保障长治久安的有效措施。

　　1 LED技术及在矿井应用中的优势

　　LED （Light Emitting Diode）是一种将电能转化为可见光的半导体元件，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色发光的原理，采用电场发光，是一种冷光源，无频闪且色温接近日光，能有效保护井下作业人员的视力；可以完全避免因普通照明灯引发的瓦斯爆炸事故。LED采用低压直流电源供电，工作电压在6~24 V之间，比使用高压电源更为安全、经济，其功耗仅为传统白炽灯的30% ,能有效地节约能源。此外，还具有响应时间快、稳定性好，工作寿命长（ > 10万h） 、免维护的特点。在矿井中，可以安装超高亮白光LED灯带提供坑道照明；还可以间插安装红、绿、黄、橙色LED用于标志间隔距离、监测点、岔道、安全撤离路线、预警、报警等信息；可以在坑道内间隔适当距离配置蓄电池后备电源，即便出现塌方事故轧断照明通信线路，也可以确保局部照明与LED指示信息，帮助井下人员逃生。

　　LED供电能够采用24 V的低压线路，这也为实现矿井安全监测设备（模块级）供电及数据通信提供了一个安全、稳定的供电环境。完全可以建立一个基于单片机模块的小型通信网络，对煤矿安全生产环节中的瓦斯、一氧化碳、风量、温度以及视频信息等监测模块提供可靠的信息采集、传输通道；还可采用LED技术中的红外编码身份识别技术，将红外采集探头以适当间隔距离安装在LED照明灯带中，对矿井内的人员进行身份信息的采集与传输，及时将相关数据发送给矿井地面上的上位机，并通过通信网络汇总到生产调度、安全监控服务器，与管理信息数据库、矿井坑道地图等构成一个立体的、实时的人员分布地理信息系统，对生产调度、安全监控和救援、疏散等都能提供可靠的保障。

　　2 系统设计

　　图1是采用LED技术实现的坑道照明与安全监控系统在井下坑道中的分布示意图。

　　（1） LED照明灯带及后备供电。图1中，连接所有节点和设备的带状线缆采用市面上广泛销售的"可塑霓虹灯"的封装形式，将白光LED串联、并联等距排列安装，可以解决整个坑道的照明问题。LED取代白炽灯具有功耗小，使用寿命长等明显优势。它是一个点光源，比较容易对光的辐射方向和发光面积进行精确的控制，特别是在一些照明面积要求不大的应用领域（矿井）优势更为明显。采用传统光源照明，往往因为照明面积超出了实际的需求而形成一种能源的浪费，而LED光源，既能满足照明要求，又不至于形成能源浪费。由于采用低压直流供电方案，每隔50 m左右便可配置一套后备蓄电池，既能实现停电或故障时的应急照明，还能在塌方等事故发生造成断电的情况下，提供疏散指示与局部照明。

　　（2） 路标、疏散路线指示。白光LED照明条件下，运用彩色的LED点光源可以间隔分布于灯带中，用于指示间距、安全通道、岔道、撤离路线等路标标识。比如用红色表示紧急撤离路线，用黄色表示注意路段，用绿色表示20 m、50 m、100 m的间距信息；用组合的符号表示方向、岔道等交通标识等；利用点阵型LED模块还可以进一步提供更为详细的方位等信息。

　　（3） 身份识别与安全监控模块。LED灯带的低压供电与通信线路为监控系统提供了便利的条件。

　　选用红外光编码/解码技术，利用安装于矿工LED灯具上的红外编码模块和等间隔LED光带上的光解码接收探头，实现井下人员的身份识别、考勤、跟踪、分布位置等管理功能。线路中还可以任意挂接瓦斯检测模块、火警探测、排风监测、摄像监测等，这些模块都采用最新32位嵌入式微控制器设计，集成RS232和标准CAN接口，借助于工业CAN总线网络，实现现场信息的实时采集并传输到监控中心，购建一套在线监测管理信息系统。

　　（4） 通信网络。在LED灯带布线系统中可以并行排列抗干扰能力强的工业总线通信网络---CANbus系统， CAN是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10 km时， CAN 仍可提供高达50 Kbit/ s的数据传输速率。使用这种工业级的通信方式，可以保证通信数据的可靠性、实时性，又能结合LED供电线路的特点。CAN总线容错性能好，可以大大降低后期的维护、维修和扩充成本，它是坑道通信的最佳形式。CAN总线回到地面则与地面终端连接，而各地面终端与管理中心的网络传输，可借助于ADSL或者光纤等方式实现。