基于人員定位及瓦斯監測的智能礦燈設計

朱廣

（安徽建筑工業學院 機電學院，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，隨著科技創新的不斷發展，對礦燈要求越來越高。安全性和多功能性越來越成為礦燈重要的指標，早期的礦燈功能單一，大多數只有照明功能，即使后來出現的報警礦燈也只具有瓦斯監測報警功能，并沒有與地面聯網構成系統，地面管理人員無法通過報警礦燈及時獲取井下瓦斯狀況，更無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測超限報警功能且能夠將信息傳輸至地面中心站，解決了原報警燈信號不能被上位機獲取的問題。同時該礦燈能夠將井下人員分布、位置信息及時上傳地面中心站。改變了傳統礦燈的功能單一問題，從而提高了煤礦的安全生產和防災救災能力［1，2］。

具有瓦斯監測、人員定位等功能的新型智能礦燈，可以實現礦燈瓦斯的移動監測，同時還能夠實現井下人員定位，而傳統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報警功能，但檢測數據并沒有上傳至地面，本智能礦燈是對傳統礦燈的一大改進，通過將瓦斯數據和人員定位數據上傳地面中心站，使地面能夠及時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能力［3］。

2 總體設計

將礦燈系統與PC 機結合起來構成一個集照明、瓦斯監測、瓦斯超限報警及人員定位的多功能系統，提高了煤礦生產的自動化水平。本系統以單片機為核心構成智能瓦斯報警器，能夠實現對礦井瓦斯濃度的采集和報警控制、信號濾波、零點漂移的抑制和非線性處理等。克服了當前瓦斯報警礦燈存在零點漂移較大，維護周期短，抗機械干擾能力差等問題。

采用無線通信技術和現場總線技術使礦燈具有人員移動定位的功能，通過現場總線可將這些信息傳輸到地面中心站，使地面管理人員能夠了解井下人員的位置及分布信息，實現了礦燈的多功能性，從而可以解決當前瓦斯報警礦燈功能單一的問題［4］。

如圖1 所示，由智能礦燈通過現場總線及傳輸接口至地面上位機，嵌入到當前的礦井安全監控大系統中。從而完成了人員定位和瓦斯監測的功能。無線通信模塊采用單片射頻收發器芯片nRF905，來實現瓦斯信息和人員位置信息的上傳，從而可以構成一個集照明、瓦斯監測報警、人員定位的綜合系統。其中人員信息用礦燈的編號來表示，人員的位置用無線接收分站的位置表示。

圖1 由智能礦燈構成的瓦斯監測、人員定位綜合系統

3 礦燈系統硬件設計

礦燈的硬件主要包括：單片機主控電路、瓦斯監測電路、無線通信電路、報警功能電路、顯示電路。結構組成如圖2 所示。

圖2 礦燈的結構組成圖

3.1 單片機主控電路

MCU 選擇MSP430 系列的一款低功耗單片機。它是TI公司近年來推出的一款高檔16 位單片機，片上外圍功能模塊豐富，超低功耗，性價比高，開發方便簡潔。片內已集成10 通道AD，3個并行端口，一個RS485 串行通訊口［5］，被廣泛應用于便攜式儀表、智能傳感器、工業監測等領域。如圖3，全部已通過網絡標號與外圍電路連接，實現對應的功能。

圖3 單片機主控電路

3.2 瓦斯監控及無線收發模塊

瓦斯功能模塊主要由瓦斯監測電路來實現瓦斯監測，瓦斯檢測電路由瓦斯傳感器、信號放大電路等組成。瓦斯傳感器內部是基于電橋的檢測原理，在瓦斯含量為零時電橋是平衡的，沒有電壓輸出。當空氣中含有瓦斯氣體時，瓦斯氣體使傳感器內部的催化元件產生無焰催化燃燒，從而溫度增高，橋臂的阻值變化，此時電橋不再平衡，故有信號電壓輸出［6］。這個電壓信號，經過放大等信號調理后輸入單片機的AD 口，單片機通過AD 采集信號，經過軟件計算后將瓦斯濃度在液晶上顯示出來，并判斷當前的瓦斯濃度是否超過瓦斯含量的上限，如若超限則繼電器動作從而驅動聲光報警。瓦斯傳感器選擇氣敏傳感器MJC4/3.0，瓦斯監測電路如圖4 所示。

圖4 瓦斯監測電路

無線發射模塊采用nRF905 模快，nRF905 無線收發模塊是挪威Nordic 公司推出的單片射頻發射器芯片，工作電壓為1.9～3.6V，QFN封裝，工作于433/868/915MHz3個ISM 頻道。nRF905 模塊負責將數據（礦燈編號和瓦斯濃度數據）發送出去，由對應的接收裝置（接收分站）接收，接收裝置將接收的數據通過總線傳送至地面監控中心。監控中心通過上位機軟件和數據庫完成瓦斯信息的實時監測，同時根據接收分站地址、礦燈編號完成人員的實時定位。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，該芯片能夠輸出穩定的3.3V 電壓，給MCU 提供工作電源。同時采用MC1403 芯片產生2.5V 給傳感器供電，電源電路如圖6、7所示。

3.4 報警及顯示電路

圖8 報警電路

報警模塊主要采用三極管9013 來驅動發光二極管及揚聲器實現聲光報警。如圖8 所示，ALARM 接 到 MCU的P2.0 口，當該端口輸出“1”時，三極管導通，蜂鳴器的地回路通過三極管接通，蜂鳴器鳴叫。

LCD 顯示主要用來實時顯示當前的瓦斯濃度。液晶采用12864，八個數據口（DB0-DB7）分別接MCU的P1 口及部分P2 口，RD、WR為 液晶的三個控制引腳，分別讀、寫。分別接到MCU的P3.4 和P3.5，由這兩個端口控制液晶的讀寫。如圖9 所示。

圖9 液晶顯示電路

4 軟件設計

4.1 礦燈主程序設計

采用freescale 16 位增強型HCS12 CPU，片內總線頻率達60MHz，內置watchdog，可防程序死鎖跑飛。內置低功耗睡眠功能，芯片可加密，只需要設置幾個寄存器就能實現程序的加密，可防止程序代碼的非法拷貝。軟件用C語言編程，采用模塊化設計方法，包括主程序，初始化子程序，數據采集子程序，發送/接受子程序，光報警及聲報警驅動程序等。主程序流程圖如圖10 所示。

圖10 礦燈主程序

4.2 無線通信軟件設計

瓦斯監測量和員工身份信息都是通過無線通信傳給接受分站，考慮到多個攜帶標簽的礦燈（礦工）出現在一個分站時，就涉及的如何防碰撞的問題，本系統采用二級制搜素算法來解決標簽碰撞的問題。標簽的整個工作流程如圖11 所示。

數據包括兩個部分，員工身份信息（用礦燈ID 表示）和瓦斯濃度，兩部分按照通信協議組成一幀發送出去，人員ID 是一個8 位的二進制數據，處于一幀的前部分，首先傳送的是這一部分，當發生碰撞時，利用二進制碰撞算法對這一部分數據進行處理，從而確定要碰撞礦燈發送數據的先后順序。整個無線通信都由模塊nRF905 完成，它能夠全雙工通信，即可以同時發射和與接收數據。MCU 將數據通過SPI 接口發送給nRF905 模塊，該模塊會自動在數據前后分別加上前導碼和校驗碼，組成一幀數據發送出去［7］。

圖11 標簽工作流程

5 結語

本文就一種新型多功能智能礦燈系統的設計展開分析。討論了瓦斯監測和人員定位功能在礦燈上的實現，本系統已經在部分煤礦得到應用，實驗證明，系統運行效果良好，穩定可靠。隨著信息技術的發展，相信礦燈將會集成更多更有用的功能，為提高煤礦安全生產發揮重要作用。

［1］谷守碌.我國瓦斯報警礦燈的現狀及其發展方向的探討［J］.煤炭科學技術，1996，24（4）：35-37.

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

［3］劉海軍.甲烷報警礦燈的應用實踐［J］.煤，2006（4）：34-35.

［4］田大壘，關榮鋒，王杏.新型LED 礦燈的設計與仿真［J］.煤礦機電，2007（6）：46-47.

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

［6］閆一功，張磊.礦燈式甲烷測報儀設計［J］.煤礦安全，2008（9）：13-14.

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