基于物联网的矿井智慧照明系统的设计及应用.pdf

收稿日期２０１９􀆽 １１􀆽 ０４ 作者简介原红飞１９７５ － ꎬ男ꎬ山西潞城人ꎬ工程师ꎬ从事煤矿供电技术及管理工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０８. ０１８ 基于物联网的矿井智慧照明系统的设计及应用 原红飞 潞安环能股份公司 漳村煤矿ꎬ山西 长治 ０４６０３２ 摘 要煤矿井下由于工作环境的特殊性ꎬ必须安装对应的照明系统ꎮ 而目前我国绝大多数矿井均配备了 ２４ ｈ 不断电的照明系统ꎬ如果能够合理地选择照明时间和照明方式ꎬ能够有效地节约能源ꎬ提高能源利用 率ꎮ 文章针对漳村煤矿井下进行了智慧照明的设计ꎬ采用了一套既能双向通信ꎬ又能储存数据的智慧照明 分站ꎬ并与嵌入式控制装置配合ꎬ利用基于煤矿综合监控系统的远程监控软件系统ꎬ实现节约能源、光强适 度的照明管理功能ꎮ 通过在矿井运输巷道中应用试验ꎬ平均节约电量 ３０％以上ꎮ 关键词物联网ꎻ智慧照明ꎻ远程控制ꎻ自动控制 中图分类号ＴＤ６２ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００８􀆽 ００５０􀆽 ０２ 在生产和生活中ꎬ节能不仅能够节约成本 的损耗ꎬ也能够有效地避免不必要的设备损耗ꎮ 在我国的各个领域均有不同的科研人员设计节 能的照明系统ꎬ比如声控灯、光控灯等ꎬ同样ꎬ煤 矿井下的照明要求更高ꎬ几乎是 ２４ ｈ 不间断使 用ꎬ因此耗电量更大ꎮ 随着物联网信息技术的 发展ꎬ目前智慧照明系统已经普遍应用在了各 个行业ꎬ建设一套适用于矿井的智慧照明系统 就显得十分必要了ꎮ 矿用巷道灯广泛适用于有甲烷、煤尘等爆 炸性混合气体的环境ꎬ用作巷道或固定地点的 照明ꎬ比如在煤矿运输大巷、井底车场、机电硐 室等地点均普遍使用ꎮ 巷道灯一般具备防爆等 级高、寿命长的优点ꎮ １ 基于物联网的矿井智慧照明系统的设计 １. １ 设计内容 １ 设计一套既能双向通信ꎬ又能存储数据的 高性能智慧照明分站ꎬ按照“符合规程、按需照明、 动态调整”的原则ꎬ实现节约能源、光强适度功能ꎬ 动态调整时间小于 ５ｓｅｃꎮ ２ 设计智慧照明嵌入式控制装置ꎬ安装在巷 道灯配电装置内的防爆腔中ꎬ实现智慧照明控制动 态调整及时ꎮ ３ 设计基于煤矿综合监控系统的远程监控 软件系统平台ꎬ与智慧照明嵌入式控制装置配合ꎬ实 现远程监控ꎮ １. ２ 应达到的技术指标和参数 物联网智慧照明系统应达到的指标见表 １ꎮ 表 １ 物联网智慧照明系统应达到的指标和参数 指标数值 动态调整时间９５％ 遥控正确率９５％ 平均无故障工作时间≥５ ０００ ｈ 系统平均维护时间５ ０００ ｈ 节电效率≥３０％ 巷道灯寿命延长５０％ １. ３ 组网原理及网络构成 １ 物联网通过各种装置与技术ꎬ实时采集需 要监控、连接、互动的物体或过程ꎬ通过各种可能的 网络接入ꎬ实现物与物、物与人的泛在连接ꎬ实现对 物品和过程的智能化感知、识别和管理ꎬ将各种信息 传感设备与互联网结合起来而形成一个巨大网络ꎬ 是互联网基础上的延伸和扩展的网络ꎮ 本系统利用 智慧照明技术实现 ＬＥＤ 照明应用的需求ꎬ拓展能力 好ꎬ可以有效节约能源ꎬ实现智能化识别、定位、跟 踪、监控和管理ꎮ ２ 采用基于物联网的 ＺｉｇＢｅｅ 无线模块构成 通信网络ꎬ实现 ＬＥＤ 照明系统的智能化、数字化、网 络化ꎮ ＺｉｇＢｅｅ 能够在数千个微小的传感传动单元之 间相互协调实现通信ꎬ并且这些单元只需要很少的 能量ꎬ以接力的方式通过无线电波将数据从一个网 络节点传到另一个节点ꎬ所以它的通信效率非常高ꎬ 这种技术低功耗、抗干扰、高可靠、易组网、易扩容、 易使用、易维护、便于快速大规模部署等特点顺应了 物联网发展的要求和趋势ꎮ ３ 组网结构采用终端匹配的总线型结构ꎬ传 ０５ 实实用用技技术术 总第 ２５２ 期 输采用 ＲＳ４８５ 传输模式ꎬ利用双绞线或监控电缆实 施数据传输ꎮ 距离较短时采用双绞线ꎬ距离长时使 用专用阻抗匹配一般为 １２０ Ω的 ＲＳ４８５ 专用电 缆ꎬ干扰严重的地方需要使用屏蔽式电缆ꎬ将计算机 技术、自动控制技术、单片机技术、网络通信技术、传 感器技术等一系列现代技术进行融合ꎬ具备非常丰 富且能够不断扩展的功能ꎮ ２ 雷达感应 ＬＥＤ 巷道灯的设计 ２. １ 感应灯的设计 首先在感应灯具里面ꎬ雷达感应比原来传统的 声控感应和人体红外感应更智能ꎬ雷达感应的是明 显的移动物体ꎬ感应灵敏度比较高ꎬ人来灯亮人走灯 灭或者微亮ꎬ感应距离也比较远可达 ５ １０ ｍꎬ人 未到灯已亮ꎬ而且不受环境和声音分贝的影响ꎬ雷达 感应可以穿透非金属物体来感应ꎬ无需外露感应探 头ꎬ隐秘性比较高不会影响灯具外观ꎮ 但是雷达感 应怕金属ꎬ金属会屏闭感应信号ꎬ所以建议灯具安装 时感应面不要有金属物体遮挡ꎬ最好尽量避免靠近 金属物体ꎬ并且灯与灯之间安装间隔最少在 ２. ５ ｍ 以上ꎮ 目前ꎬ雷达感应也是替代传统声控感应和红 外人体感应的最佳选择ꎮ ２. ２ 雷达感应电器设计 微波感应控制器采用 ＳＴＭ３２ 系列中央处理器ꎬ 由覆铜板环形线路和微波电路组成一个微波振荡 器ꎬ环形天线既做发射信号用ꎬ同时也用于接收反射 回波用ꎮ 其控制器轴线方向产生一个椭圆形半径为 ０ ５. ５ ｍ 空间微波识别区ꎬ当人体或车辆活动时ꎬ 天线接收到回波信号后ꎬ在半导体 ＰＮ 结与原微波 混频后差拍得到频移信号 ꎮ 该信号通过微波专用 处理电路ꎬ将小动物、远距离的物体晃动、高频杂波 信号等引起的干扰去除ꎬ避免误触发ꎬ提高可靠性ꎮ 将一定强度的频移信号转化成脉宽调制信号 ＰＷＭꎬ电路只识别脉冲足够宽的单体信号ꎬ如人 体、车辆其鉴别电路才被触发ꎮ 微波感应控制器工 作非常可靠ꎬ一般没有误报ꎬ比红外线、超声波等原 理的触发电路更为可靠ꎬ是目前用于安全防范和自 动监控的最佳产品ꎬ其检测灵敏度高ꎬ探测范围宽ꎬ 误触发极低ꎬ能在 －２５ ＋４５的温度范围内稳定工 作ꎬ非常适合井下复杂环境下使用ꎮ ３ 应用效果 为了验证基于物联网的矿井智慧照明系统设备 的应用效果ꎬ在对漳村矿几个现场考察调研后ꎬ选择 在漳村矿井下二部胶带巷进行现场试验ꎮ 安装完成后ꎬ当人员靠近感应灯时ꎬ灯光变亮ꎬ 当人员远离后ꎬ灯光变暗ꎮ 经济效益分析如下ꎮ ３. １ 未采用智能灯时的耗电量 按照每盏灯功率为 １８ Ｗ 计算ꎬ在未实行自动 控制之前ꎬ每日每盏灯的的耗电量为 １８ ２４ ＝４３２ Ｗ􀅱ｈ 按照每 ５ ｍ 一盏灯计算ꎬ一条 １ ０００ ｍ 的巷道 需安装灯 ２００ 盏ꎬ累计日耗电量为 ４３２ ２００ ＝８６ ４００ Ｗ􀅱ｈ ３. ２ 采用智能灯时的耗电量 智能灯在待机状态下ꎬ每日每盏灯的功率约为 ６ Ｗꎬ根据实际经验ꎬ考虑人员经过主要集中在上下 班期间ꎬ每天有 ６ ｈ 采用高功率供电ꎮ １ ０００ ｍ 巷道 实际用电量为 ６ １８ ＋１８ ６ ＝２１６ Ｗ􀅱ｈ 同样按照每千米巷道 ２００ 盏灯计算ꎬ累计日耗 电量为 ２１６ ２００ ＝４３ ２００ Ｗ􀅱ｈ 综上ꎬ井下每 １ ０００ ｍ 巷道日节约电量为 ８６ ４００ －４３ ２００ ＝ ４３ ２００ Ｗ 􀅱 ｈꎬ 节电效率提升 ５０％ꎮ 漳村矿胶带巷共计照明灯 １ ６００ 余个ꎬ预计 全部采用后可节约电量 ２５９. ２ ｋＷ􀅱ｈꎬ按照每千瓦 电费 ０. ８４４ 元计算ꎬ每日可节约用电成本 ２１８. ７ 元ꎬ 全年累计节约资金近 ８ 万元ꎮ ４ 结 语 漳村矿采用本项目成果后ꎬ照明能耗大大降低ꎬ 应用结果表明整个工作面照明节能平均率均达到 ５０％以上ꎬ较原先节能技术提高 ３０ 个百分点以上ꎮ 实现了远程开关降低能耗ꎬ可以实现其他控制方式 不能达到节能效果ꎬ突破性地解决了节能降耗的难 题ꎬ一次投入ꎬ长期受益ꎬ产生了较大的经济和社会 效益ꎮ [责任编辑路 方] １５ ２０２０ 年 ８ 月 原红飞基于物联网的矿井智慧照明系统的设计及应用 第 ２９ 卷第 ８ 期