基于熱成像與ZigBee的帶式輸送機危險區監測系統

王方杰，孫 磊，任賀賀，王 寅

（1.徐州工業職業技術學院 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業大學 網絡與信息中心，江蘇 徐州 221000；3.兗礦集團有限公司 山東煤炭技術研究所，山東 濟南 250000）

礦用帶式輸送機是儲煤場運輸煤的重要設備，在儲煤場實際的工作環境中，儲煤場作業人員需要在帶式輸送機輸送帶的進料口處進行作業[1]。由于帶式輸送機輸送帶運轉速度快、作業現場環境復雜等，會發生作業人員落入帶式輸送機運輸帶的事故。如果落入運輸帶的作業人員沒有被及時發現或者沒有及時關閉帶式輸送機系統，就會造成人員傷亡。因此帶式輸送機運輸帶的進料口處是危險事故的多發地帶，需要對該區域進行有效的監控[2]。

近年，ZigBee、Z-Wave等無線傳感器網絡的出現，為復雜環境下組建可信網絡與無線信號傳輸問題提供了解決方案；紅外熱成像技術以及其它傳感器技術的出現拓寬了監測系統的可視范圍[3-6]。為此結合紅外熱成像傳感技術與ZigBee網絡，針對帶式輸送機輸送帶進料口，設計并實現了危險區域監測系統。該系統能夠在事故發生后及時監測到跌落人員并自動關閉帶式輸送機系統，同時向現場其他作業人員以及遠程監測端發出預警信號。

1 系統總體設計

帶式輸送機危險區監測系統由監測終端、網關節點、遠程監控端、繼電器控制系統等部分構成。系統架構如圖1，在ZigBee協議的基礎上組建本系統的無線傳感器網絡，無線傳感器網絡與以太網共同構成了監測系統的信號傳輸網絡。如圖1，監測終端被固定在帶式輸送機危險區的前部，通過熱紅外成像的方式實時監測帶式輸送機危險區的前部。當作業人員跌落到帶式輸送機輸送帶上并經過監測終端所掃描的區域時，監測終端就會通過控制繼電器對帶式輸送機電控箱進行斷電處理，帶式輸送機就能夠停止工作。此外，監測終端通過自帶的信號燈與警笛對現場作業人員發出預警信號，同時監測終端會將預警信號傳輸到網關節點，網關節點將信號轉發到以太網，遠程監控端通過加入現有的基礎以太網絡就能夠收到預警信號，進而能夠及時采取相應處理措施，降低事故造成的損失。

圖1 監測終端硬件功能框圖

2 監測終端硬件

監測終端硬件電路組成部分包括：主處理器及外圍驅動電路、電壓轉換電路、功能按鍵電路、繼電器控制電路、MAX3232CSE串口通信電路、編程調試接口電路、AMG8833熱成像芯片驅動電路等。主處理器采用支持ZigBee協議的CC2530芯片，CC2530處理器芯片是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4協議的片上系統解決方案，其特點是能夠以低成本組建強大的網絡節點[7-8]。監測終端掃V描其監測區域的過程主要包括：熱信號采集鏡頭采集熱源信號、AMG8833及其驅動電路將熱信號處理成主處理器可用的數字信號。繼電器電路實現對監測終端集成的信號燈與警笛的控制，進而產生相應預警信號。按鍵電路通過對高低邏輯信號的控制實現功能切換。MAX3232CSE驅動電路通過串口通信的方式實現主處理器和4.2英寸(106.68 mm)工業液晶屏之間的通信，使得液晶屏能夠顯示監測終端剩余電量、工作模式及其它參數信息。電壓轉換電路的作用是將輸入電壓轉換成監測終端主板各芯片工作電壓，編程調試接口電路實現程序的在線調試。

2.1 電壓轉換部分電路

電壓轉換部分電路由LM2596S-5.0芯片及外圍驅動電路和LM2596S-3.3芯片及其外圍驅動電路構成。LM2576系列電壓轉換芯片由美國國家半導體公司生產，是3 A電流輸出降壓開關型穩壓芯片[9]。LM2576系列電壓轉換芯片內部集成52 kHz固定頻率振蕩器和1.23 V基準穩壓器，其內部有電流限制與熱關斷等保護電路，LM2576系列電壓轉換芯片使用簡單的外圍驅動電路即可構建高效的穩壓電路。

電壓轉換部分電路原理圖如圖2，其中5 V電壓生成電路使用的芯片為LM2596S-5.0，3.3 V電壓生成電路使用的芯片為LM2596S-3.3。LM2596S-5.0芯片及其外圍驅動電路的組成包括：1個470 μF/35 V的極性電容，2個 0.1 μF的貼片電容，1個 220 μF/25 V的貼片電容，1個型號為IN5825的二極管，1個68 μH的電感，1個0 Ω電阻。LM2596S-3.3芯片外圍驅動電路的組成與LM2596S-5.0相同。3.3 V與5 V電壓為監測終端各原器件供電。

圖2 電壓轉換電路原理圖

2.2 紅外熱成像電路

AMG8833芯片及其外圍驅動電路原理圖如圖3，AMG8833是8×8陣列的紅外熱像儀傳感器，其與主處理器間的通信方式為I2C，通過I2C通信AMG8833可為微處理器提供1組64個獨立的紅外溫度數字信號[10-11]。AMG8833的溫度測量范圍為0～80℃，精度為2.5℃，AMG8833的最大檢測距離是7 m，熱圖像的最大幀頻為10 Hz。AMG8833在實現紅外人體探測器方面優勢明顯。

AMG8833的工作電壓是 3.3 V，SDA_3V與SCL_3V構成了AMG8833的I2C數據通信引腳，INT是可配置的中斷引腳[11]。AMG8833的外圍驅動電路包括：2個10 kΩ的電阻、1個22Ω的電阻、4個普通電容（電容值分別為：0.1、1、2.2、10 μF）。利用AMG8833對監測區域進行不間斷掃描，當作業人員跌入帶式輸送機皮，經過監測區域就會產生預警信息，并通過系統網絡將熱源信號與預警信號傳輸到遠程監測端。

圖3 AMG8833驅動電路原理圖

2.3 繼電器控制電路

監測終端中集成的信號燈與警笛，以及對帶式輸送機電控箱的狀態控制都需要繼電器控制電路，繼電器控制電路原理圖如圖4，由圖4可知，繼電器控制電路包括：1個IN4148二極管、1個S8050三極管、繼電器、電阻等。繼電器由S8050三極管驅動，硬件終端開機初始化后，引腳P1.2為高電平狀態，+5 V的電源通過使三極管導通。因而正常狀態下，開機后繼電器處在吸合狀態。當拉低引腳P1.2電平，三極管S8050的基極就會被拉低到低電平狀態，三極管S8050就會截止，從而繼電器就會斷電釋放。每一個繼電器都有常開常閉接點，以便控制其它電路。二極管IN4148與繼電器線圈反向并聯能夠吸收反向電動勢，可以起到保護三極管S8050的作用。

圖4 繼電器控制電路原理圖

2.4 串口通信電路

液晶接口與串口通信電路原理圖如圖5，其中H1為液晶部分引出的接口，U3為串口通信采用的芯片MAX3232CSE。MAX3232CSE外圍驅動電路組成包括4個0.1 μF的電容，MAX3232CSE引腳、封裝以及功能與MAX242及MAX232兼容，其包含2路的驅動器以及接收器，并且提供1 μA的關斷模式。工作在關斷模式，接收器能夠保持有效的狀態，并且能夠對外部的設計進行監測，僅需1 μA電源電流。即便是在高數據速率下工作，MAX3232CSE依舊可以保持著RS-232通信標準的要求。通過MAX3232CSE串口通信芯片，實現監測終端主處理器與液晶之間的通信。圖5 H1為液晶通信串口調試端口。引出輸入、輸出、電源與地共6個端口，為液晶提供數據接口，實現對液晶的驅動，并與MAX3232CSE協同工作下實現對液晶的顯示和觸摸控制。

圖5 液晶接口與串口通信電路原理圖

3 監測終端軟件工作流程

監測終端通過熱紅外成像的方式不間斷掃描監測區域，與此同時實現將采集的紅外信號轉發到遠程監測端。監測終端主處理器為CC2530，該芯片由德州儀器生產，具有收發機和增強型51MCU[12]。監測終端軟件系統在CC2530的基礎上，運行Zstack協議棧，并運行終端軟件的應用程序。監測終端的工作流程如圖6。

監測終端上電運行后，先執行終端硬件初始化程序，包括：AD、定時器、串口通信的初始化、液晶屏的初始化、AMG8833的初始化等；接著運行Zstack協議棧初始化程序，初始化ZigBee網絡，并加入組建的ZigBee網絡；然后運行終端應用程序，開辟數據存儲區域；運行紅外掃描監測區域程序，獲取掃描區域紅外數字信號，并刷新液晶顯示屏；當掃描到人體熱源信號時，監測終端利用繼電器電路，控制帶式輸送機電控箱關閉帶式輸送機，同時利用自身集成的警笛和預警燈向現場其他作業人員發出預警信號，此外將預警信號和采集到的熱成像信號轉發到網關節點，通過網關節點將信息傳輸到遠程監測端，以便采取應對措施，降低事故造成的損失。若未監測到人體熱源信號，則監測終端通過網關節點將采集的熱成像數據轉發遠程監測端，同時監測終端執行按鍵或液晶屏觸發事件，并繼續執行液晶屏刷新程序，進行下一次掃描區紅外信號采集。

圖6 監測終端軟件工作流程

4 結語

設計并實現了儲煤場帶式輸送機危險區監測系統，在CC2530處理器的基礎上設計實現了監測終端，在硬件方面包括電壓轉換電路、AMG8833熱成像驅動電路、繼電器電路、串口通信電路等的設計與實現，在軟件方面包括熱力圖像的采集與處理、預警信號轉發業務、繼電器控制系統業務等的設計與實現。