基于人員定位及瓦斯監(jiān)測(cè)的智能礦燈設(shè)計(jì)

朱廣

（安徽建筑工業(yè)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，合肥 230601）

1 引言

礦燈是煤礦井下礦工的眼睛，礦燈的好壞直接影響著井下礦工的生命安全與工作效益，隨著科技創(chuàng)新的不斷發(fā)展，對(duì)礦燈要求越來(lái)越高。安全性和多功能性越來(lái)越成為礦燈重要的指標(biāo)，早期的礦燈功能單一，大多數(shù)只有照明功能，即使后來(lái)出現(xiàn)的報(bào)警礦燈也只具有瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警功能，并沒(méi)有與地面聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成系統(tǒng)，地面管理人員無(wú)法通過(guò)報(bào)警礦燈及時(shí)獲取井下瓦斯?fàn)顩r，更無(wú)法知道井下人員的位置、分布等信息。新型多功能礦燈具有瓦斯監(jiān)測(cè)超限報(bào)警功能且能夠?qū)⑿畔鬏斨恋孛嬷行恼?，解決了原報(bào)警燈信號(hào)不能被上位機(jī)獲取的問(wèn)題。同時(shí)該礦燈能夠?qū)⒕氯藛T分布、位置信息及時(shí)上傳地面中心站。改變了傳統(tǒng)礦燈的功能單一問(wèn)題，從而提高了煤礦的安全生產(chǎn)和防災(zāi)救災(zāi)能力［1，2］。

具有瓦斯監(jiān)測(cè)、人員定位等功能的新型智能礦燈，可以實(shí)現(xiàn)礦燈瓦斯的移動(dòng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)井下人員定位，而傳統(tǒng)的礦燈大部分還只是照明工具，即使有些礦燈也具備瓦斯檢測(cè)報(bào)警功能，但檢測(cè)數(shù)據(jù)并沒(méi)有上傳至地面，本智能礦燈是對(duì)傳統(tǒng)礦燈的一大改進(jìn)，通過(guò)將瓦斯數(shù)據(jù)和人員定位數(shù)據(jù)上傳地面中心站，使地面能夠及時(shí)了解井下人員的位置、分布及瓦斯含量，從而能夠提高煤礦安全生產(chǎn)能力［3］。

2 總體設(shè)計(jì)

將礦燈系統(tǒng)與PC 機(jī)結(jié)合起來(lái)構(gòu)成一個(gè)集照明、瓦斯監(jiān)測(cè)、瓦斯超限報(bào)警及人員定位的多功能系統(tǒng)，提高了煤礦生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心構(gòu)成智能瓦斯報(bào)警器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦井瓦斯?jié)舛鹊牟杉蛨?bào)警控制、信號(hào)濾波、零點(diǎn)漂移的抑制和非線性處理等?？朔水?dāng)前瓦斯報(bào)警礦燈存在零點(diǎn)漂移較大，維護(hù)周期短，抗機(jī)械干擾能力差等問(wèn)題。

采用無(wú)線通信技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)使礦燈具有人員移動(dòng)定位的功能，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線可將這些信息傳輸?shù)降孛嬷行恼?，使地面管理人員能夠了解井下人員的位置及分布信息，實(shí)現(xiàn)了礦燈的多功能性，從而可以解決當(dāng)前瓦斯報(bào)警礦燈功能單一的問(wèn)題［4］。

如圖1 所示，由智能礦燈通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線及傳輸接口至地面上位機(jī)，嵌入到當(dāng)前的礦井安全監(jiān)控大系統(tǒng)中。從而完成了人員定位和瓦斯監(jiān)測(cè)的功能。無(wú)線通信模塊采用單片射頻收發(fā)器芯片nRF905，來(lái)實(shí)現(xiàn)瓦斯信息和人員位置信息的上傳，從而可以構(gòu)成一個(gè)集照明、瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警、人員定位的綜合系統(tǒng)。其中人員信息用礦燈的編號(hào)來(lái)表示，人員的位置用無(wú)線接收分站的位置表示。

圖1 由智能礦燈構(gòu)成的瓦斯監(jiān)測(cè)、人員定位綜合系統(tǒng)

3 礦燈系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

礦燈的硬件主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控電路、瓦斯監(jiān)測(cè)電路、無(wú)線通信電路、報(bào)警功能電路、顯示電路。結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 礦燈的結(jié)構(gòu)組成圖

3.1 單片機(jī)主控電路

MCU 選擇MSP430 系列的一款低功耗單片機(jī)。它是TI公司近年來(lái)推出的一款高檔16 位單片機(jī)，片上外圍功能模塊豐富，超低功耗，性價(jià)比高，開發(fā)方便簡(jiǎn)潔。片內(nèi)已集成10 通道AD，3個(gè)并行端口，一個(gè)RS485 串行通訊口［5］，被廣泛應(yīng)用于便攜式儀表、智能傳感器、工業(yè)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。如圖3，全部已通過(guò)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)與外圍電路連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。

圖3 單片機(jī)主控電路

3.2 瓦斯監(jiān)控及無(wú)線收發(fā)模塊

瓦斯功能模塊主要由瓦斯監(jiān)測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)瓦斯監(jiān)測(cè)，瓦斯檢測(cè)電路由瓦斯傳感器、信號(hào)放大電路等組成。瓦斯傳感器內(nèi)部是基于電橋的檢測(cè)原理，在瓦斯含量為零時(shí)電橋是平衡的，沒(méi)有電壓輸出。當(dāng)空氣中含有瓦斯氣體時(shí)，瓦斯氣體使傳感器內(nèi)部的催化元件產(chǎn)生無(wú)焰催化燃燒，從而溫度增高，橋臂的阻值變化，此時(shí)電橋不再平衡，故有信號(hào)電壓輸出［6］。這個(gè)電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大等信號(hào)調(diào)理后輸入單片機(jī)的AD 口，單片機(jī)通過(guò)AD 采集信號(hào)，經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算后將瓦斯?jié)舛仍谝壕巷@示出來(lái)，并判斷當(dāng)前的瓦斯?jié)舛仁欠癯^(guò)瓦斯含量的上限，如若超限則繼電器動(dòng)作從而驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警。瓦斯傳感器選擇氣敏傳感器MJC4/3.0，瓦斯監(jiān)測(cè)電路如圖4 所示。

圖4 瓦斯監(jiān)測(cè)電路

無(wú)線發(fā)射模塊采用nRF905 ?？欤琻RF905 無(wú)線收發(fā)模塊是挪威Nordic 公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為1.9～3.6V，QFN封裝，工作于433/868/915MHz3個(gè)ISM 頻道。nRF905 模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)（礦燈編號(hào)和瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)）發(fā)送出去，由對(duì)應(yīng)的接收裝置（接收分站）接收，接收裝置將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳送至地面監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過(guò)上位機(jī)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)完成瓦斯信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)根據(jù)接收分站地址、礦燈編號(hào)完成人員的實(shí)時(shí)定位。nRF905 電路接口如圖5 所示。

圖5 nRF905 模塊接口圖

圖6 3.3V 電源電路

圖7 2.5V 電源電路

3.3 電源電路

電源采用低壓差線性芯片SPX1117-3.3，該芯片能夠輸出穩(wěn)定的3.3V 電壓，給MCU 提供工作電源。同時(shí)采用MC1403 芯片產(chǎn)生2.5V 給傳感器供電，電源電路如圖6、7所示。

3.4 報(bào)警及顯示電路

圖8 報(bào)警電路

報(bào)警模塊主要采用三極管9013 來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管及揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。如圖8 所示，ALARM 接 到 MCU的P2.0 口，當(dāng)該端口輸出“1”時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的地回路通過(guò)三極管接通，蜂鳴器鳴叫。

LCD 顯示主要用來(lái)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的瓦斯?jié)舛?。液晶采?2864，八個(gè)數(shù)據(jù)口（DB0-DB7）分別接MCU的P1 口及部分P2 口，RD、WR為 液晶的三個(gè)控制引腳，分別讀、寫。分別接到MCU的P3.4 和P3.5，由這兩個(gè)端口控制液晶的讀寫。如圖9 所示。

圖9 液晶顯示電路

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 礦燈主程序設(shè)計(jì)

采用freescale 16 位增強(qiáng)型HCS12 CPU，片內(nèi)總線頻率達(dá)60MHz，內(nèi)置watchdog，可防程序死鎖跑飛。內(nèi)置低功耗睡眠功能，芯片可加密，只需要設(shè)置幾個(gè)寄存器就能實(shí)現(xiàn)程序的加密，可防止程序代碼的非法拷貝。軟件用C語(yǔ)言編程，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括主程序，初始化子程序，數(shù)據(jù)采集子程序，發(fā)送/接受子程序，光報(bào)警及聲報(bào)警驅(qū)動(dòng)程序等。主程序流程圖如圖10 所示。

圖10 礦燈主程序

4.2 無(wú)線通信軟件設(shè)計(jì)

瓦斯監(jiān)測(cè)量和員工身份信息都是通過(guò)無(wú)線通信傳給接受分站，考慮到多個(gè)攜帶標(biāo)簽的礦燈（礦工）出現(xiàn)在一個(gè)分站時(shí)，就涉及的如何防碰撞的問(wèn)題，本系統(tǒng)采用二級(jí)制搜素算法來(lái)解決標(biāo)簽碰撞的問(wèn)題。標(biāo)簽的整個(gè)工作流程如圖11 所示。

數(shù)據(jù)包括兩個(gè)部分，員工身份信息（用礦燈ID 表示）和瓦斯?jié)舛?，兩部分按照通信協(xié)議組成一幀發(fā)送出去，人員ID 是一個(gè)8 位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，處于一幀的前部分，首先傳送的是這一部分，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，利用二進(jìn)制碰撞算法對(duì)這一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而確定要碰撞礦燈發(fā)送數(shù)據(jù)的先后順序。整個(gè)無(wú)線通信都由模塊nRF905 完成，它能夠全雙工通信，即可以同時(shí)發(fā)射和與接收數(shù)據(jù)。MCU 將數(shù)據(jù)通過(guò)SPI 接口發(fā)送給nRF905 模塊，該模塊會(huì)自動(dòng)在數(shù)據(jù)前后分別加上前導(dǎo)碼和校驗(yàn)碼，組成一幀數(shù)據(jù)發(fā)送出去［7］。

圖11 標(biāo)簽工作流程

5 結(jié)語(yǔ)

本文就一種新型多功能智能礦燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開分析。討論了瓦斯監(jiān)測(cè)和人員定位功能在礦燈上的實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)已經(jīng)在部分煤礦得到應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，穩(wěn)定可靠。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，相信礦燈將會(huì)集成更多更有用的功能，為提高煤礦安全生產(chǎn)發(fā)揮重要作用。

［1］谷守碌.我國(guó)瓦斯報(bào)警礦燈的現(xiàn)狀及其發(fā)展方向的探討［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1996，24（4）：35-37.

［2］張景輝，文熙權(quán).單片機(jī)控制甲烷警報(bào)礦燈的研制［J］.煤炭技術(shù)，2002，21（1）：20-21.

［3］劉海軍.甲烷報(bào)警礦燈的應(yīng)用實(shí)踐［J］.煤，2006（4）：34-35.

［4］田大壘，關(guān)榮鋒，王杏.新型LED 礦燈的設(shè)計(jì)與仿真［J］.煤礦機(jī)電，2007（6）：46-47.

［5］MSP430 datasheet［EB/OL］.http://www.TI.com，2007.

［6］閆一功，張磊.礦燈式甲烷測(cè)報(bào)儀設(shè)計(jì)［J］.煤礦安全，2008（9）：13-14.

［7］吳強(qiáng)，沈斌，劉新蕾.基于微功率無(wú)線通信的瓦斯報(bào)警礦燈研究［J］.煤礦機(jī)械，2008，29（12）：139-140.