一種基于51單片機智能礦燈的設計與實現

高明洋 張家鳴 沈杰

摘要：井下作業環境復雜且危險，瓦斯氣體是威脅井下人員生命安全的關鍵因素。礦燈不僅是照明工具而且可以具有更多智能的功能。目前市面上很多智能礦燈都具有瓦斯氣體監測以及自動定位功能，但其在信號傳輸以及定位精度上還存有很多不足，以及不夠智能化。文中設計了一種新型智能礦燈，不僅具有瓦斯監測報警功能，還運用4G移動網絡實現了與地面移動端APP的通信連接，同時提高了GPS定位精度，為后期救援提供了有力保障，有效保障了井下人員的安全。

關鍵詞：51單片機;智能礦燈;移動端APP;GPS定位

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）08-0239-02

在煤礦開采中，礦燈是井下工作人員的眼睛。礦燈的功效直接影響到礦工的安全和效率。隨著科學技術的不斷發展，煤礦業對礦燈的要求越來越高，礦燈的安全性和豐富的功能需求越來越多。傳統的礦燈功能單一，只有一個照明功能。即便增加報警功能的礦燈也只有瓦斯監測和報警功能，無法真正保障礦工井下工人的安全。地面管理人員無法及時通過報警礦燈獲取井下瓦斯狀態，不穩定的通信信號也造成定位相當不準確。所以，利用物聯網技術對礦燈進行革新設計具有重要的意義[1-4]。據此，系統以礦燈為硬件載體，設計一種智能礦燈，運用無線通信技術讓其與地面移動端APP進行連接，完成地面與井下人員信息的實時監測。

1 智能礦燈設計方案

智能礦燈以單片機為核心處理器，具有基本的井下照明、瓦斯監測和報警，以及人員的GPS定位等多種功能使煤礦信息化和智能化水平得到提升。該智能礦燈運用單片機完成對瓦斯濃度的監測與超限報警，同時實現智能礦燈照明亮度調節，具有低能耗，高效率的特點。同時，運用移動無線通信與物聯網技術完成井下工業環網系統構建，從而實現智能礦燈與地面人員APP端互聯互通，完成語音通話，使礦燈具有移動和定位人員的功能。并且在瓦斯濃度過高以及采礦人員遇到危險時可以向地面監測APP進行實時反饋，以保證用戶在發生危險的情況時能及時地獲得幫助有效幫助，如圖1。

2 核心硬件系統設計

2.1 照明模塊設計與實現

照明系統是礦燈的基本功能模塊，本模塊在硬件照明上進行了小的改進。因為AT89C51單片機在處理器10接口上引入的電流驅動比較微弱。故控制礦燈工作時，就需要將微弱信號電流放大.從而滿足照明需求。改造后的系統電路如圖2所示。

2.2 瓦斯監測報警模塊

瓦斯監測報警是保障井下人員生命安全的關鍵之一，正常情況下，在瓦斯濃度沒有超過設定的報警值時，礦燈報警模塊閃光燈以及蜂鳴器都不會出現異動。瓦斯濃度檢測傳感器會記錄數值，實時傳遞到井上連接的APP端，顯示井下瓦斯情況。若一旦出現瓦斯濃度過高，蜂鳴器就會立即發出警報，主照明的燈光就會不斷閃爍，提醒井下工作者停止開采，采取安全措施撤離。如圖3為瓦斯監測報警模塊電路圖。

2.3GPS定位模塊

GPS定位模塊也是系統中人員安全功能，采用GPS采用Zarlink公司的GP2010，該模塊具有三級射頻信號發送，可以及時采集智能礦燈的位置信息，然后反饋到處理器中。其外接直流電壓為5V，其信號接收天線使用電壓為3.2V，后置一個RF輸入接口。在射頻輸出接口上，模擬中頻信號為4.306MHz，工作電壓為直流1.6V。基帶處理器連接接口具有引腳14個，這些端口主要完成信號控制以及輸出、輸入處理。但因為礦洞十擾較強，GPS直接定位很容易出現誤差，最小誤差都在5米以上。如圖4為GPS定位模塊部分電路圖。

3 軟件系統設計

3.1 開發環境

系統安卓客戶端軟件采用Java語言進行開發，JDK版本為jdkl.8.0102。開發T具為Android studio。

3.2 軟件功能及流程

軟件包括用戶注冊和登錄，用戶注冊并登錄成功后，可以進行智能礦燈編號選擇，完成與該礦燈的實時監測連通。為了保證數據傳輸的穩定以及實時信息的精準，采用的是一個賬號監測一臺智能礦燈，這樣更穩定的進行語音通信等功能實現，其具體流程圖如5所示。

在軟件客戶端設計中，需要完成服務器主控制器的設計。初始化服務器后，它就可以接收安卓設備發送的日志數據了。如果服務器接受不到數據，則一直等待。當接收到來白安卓設備的數據時，將對數據進行分析，然后確定接收到的數據是否是設備命令，如果接收到的數據是設備命令，則將工作模式設置為發送模式，將從安卓設備接收到的數據封裝，打包后發送到分包商根據通信協議的格式完成設備命令的調度。如果沒有，他將評估安卓設備是否需要操作數據庫。如果是，服務器將更新數據庫或返回用戶所需的數據。如果它不是數據庫的期望操作，它將返回等待安卓設備的數據。

4 系統測試

在系統測試中，首先對智能礦燈所在的環境進行實測。本文次測試項目對瓦斯濃度檢測情況、GPS定位精度、語音通信穩定性、軟件信號接收實時性等多方面進行測試。在測試過程中，對每一組測試項目進行了多達60多次測試，其中重點測試了語音安全通話，GPS定位精度以及瓦斯濃度檢測報警模塊等，測試基本情況如表1所示。

從表1可以知道，在多達60次測試過程里面，4G語音通信基本上信號穩定波動較下，測試結果正常;在對GPS模塊測試時，地面誤差可以忽略不計，在很小的范圍中，相當精準，但到了井下環境測試時，卻存有一定的誤差，主要體現在井下環境復雜，信號傳輸衰弱較快，造成信息失真，經過反復測試后了，誤差可以確定在1米左右，比一般的人員定位精度提高了2米。

5 結束語

本系統的設計采用了先進的移動通信技術以及瓦斯監測傳感器，同時具備GPS精準定位，然后在地面上運用手機APP就能進行監測與管控，完成與井下工作人員的溝通協作，從而降低了井下人員工作人員安全發生事故。本系統具有高性能、低功耗、功能易擴展等優點。這種智能礦燈是一種物聯網的綜合應用，不僅增強了井下人員安全保障，還帶動了煤礦行業信息化、智能化發展，對煤礦企業長遠發展具有積極促進作用。

參考文獻：

[1]張帝，董飛，高彬，等.基于嵌入式實時操作系統的智能礦燈設計[J].工礦自動化，2018，44（2）：23-27.

[2]吳靜然.基于WiFi的智能礦燈設計及負載均衡切換機制研究[D].中國礦業大學，2014.

[3]黃一波.基于瓦斯檢測與人員定位新型智能礦燈的設計與實現[D].西安電子科技大學，2016.

[4]趙舒暢，曹利波，任玉東.基于STM32智能礦燈系統設計[J].煤炭工程，2014，46（6）：25-27.

【通聯編輯：朱寶貴】