基于ZigBee的礦用照明燈具壽命提示系統設計

徐力軍

余姚市科技創新服務中心，浙江 寧波 315400

0 引言

2020年，全國煤礦發生事故123起，死亡228人，同比分別下降27.6%和27.8%。盡管煤礦安全生產工作取得了明顯成效，但是煤礦安全形勢依然嚴峻，而照明設備安全是保障礦井安全的重要部分之一，需要予以重視。大量學者進行了礦井照明安全性及穩定性的研究。高云廣[1]提出了基于PLC的煤礦井下照明保護系統，增加了保護系統的可靠性；原紅飛[2]提出了基于物聯網的礦井智慧照明系統，選擇合理的照明方式，有效節約了能源，提高了能源利用率；李雪梅[3]設計了礦井應急無源LED照明系統，在礦井下采用綠色照明能消除照明產品對環境造成的不利影響，提高生產的安全性。文章提出基于ZigBee的礦用照明燈具壽命提示系統，在每個照明燈具上設置一個壽命計時器，燈具一旦通電亮起，壽命計時器即自動開始計時。當工作人員手持巡檢器進行巡檢時，各壽命計時器將逐個接入ZigBee網絡，巡檢器主動采集各壽命計時器的實時壽命計時值，并與設置的報警壽命值進行比較，當兩者的差值小于安全值，則控制相應壽命計時器的指示燈閃爍，以此提醒工作人員及時更換燈具，從而保障生產作業安全。

1 系統整體構成

系統整體構成如圖1所示，包括至少1個ZigBee終端節點、1個ZigBee協調器。給礦井現場的每個照明燈具設置一個壽命計時器，將其作為ZigBee終端節點，工作人員巡檢用的手持巡檢器作為ZigBee協調器，工作人員可操作觸摸屏，根據實際需要設置報警壽命值及安全值。當工作人員攜帶的巡檢器與照明燈具的距離達到建立ZigBee通信的有效距離范圍內時，終端節點逐個自動接入ZigBee網絡，巡檢器主動采集各終端節點計得的實時壽命計時值，并與設定的報警壽命值比較，一旦兩者之間的差值小于安全值，則由巡檢器發送命令給相應的終端節點，終端節點控制其連接的指示燈閃爍，以此提醒工作人員，及時更換燈具。

圖1 系統整體構成圖

2 硬件設計

系統硬件由壽命計時器、巡檢器兩部分組成。

2.1 壽命計時器

壽命計時器硬件組成如圖2所示，主要包括電源電路、無線收發電路、MCU、驅動電路、LED燈具、E2PROM及指示燈。

圖2 壽命計時器硬件組成圖

壽命計時器設置在照明燈具上，從照明燈具中取電，經電源電路處理后，得到合適的電壓、電流等級，給各電路部件供電。MCU選用CC2530單片機，其內置8051內核和RF收發器，能以極低的功耗迅速建立穩定的無線傳感網絡。MCU通過驅動電路控制LED燈具提供照明，一旦LED燈具通電亮起，MCU即自動開始計時，得到的計時值即為該燈具的實時壽命值，將該值按設定的周期寫入E2PROM中，可實現掉電不丟失，且該值不斷刷新，下一次重新通電會累加計時。當接收到巡檢器發來的采集命令時，由壽命計時器將該值上傳[4-5]。

2.2 巡檢器

巡檢器硬件組成如圖3所示，包括電源電路、MCU、無線收發電路、程序下載電路、E2PROM及觸摸屏。

圖3 巡檢器硬件組成圖

巡檢器為手持協調器設備，工作人員可操作觸摸屏，根據實際需要設置報警壽命值及安全值，并寫入E2PROM中，下次開機不需要重新設置，程序下載電路用于下載默認設置。

壽命計時器與巡檢器基于ZigBee網絡進行雙向無線通信。一方面，壽命計時器可接收巡檢器發送過來的采集命令，將實時壽命值上傳給巡檢器；另一方面，巡檢器將采集到的壽命計時值與設置的報警壽命值進行比較，若判斷為滿足報警條件，則發送報警命令給相應的壽命計時器，壽命計時器控制其連接的指示燈閃爍。

3 軟件設計

3.1 終端節點軟件設計

終端節點主要完成燈具壽命計時、報警提示兩個功能，其工作流程如圖4所示。

圖4 直流智能調光系統拓撲圖

圖4 終端節點工作流程圖

終端節點上電進行初始化后，LED燈具亮起，自動開啟計時，得到實時壽命值，并周期性寫入E2PROM保存。終端節點檢測范圍內是否存在指定的ZigBee網絡，當巡檢人員手持巡檢器，進入有效信號范圍內時，終端發送入網請求，請求加入該ZigBee網絡。入網成功后，終端節點根據協調器發來的采集命令，將計得的實時壽命值回復給將協調器；而當終端節點接收到協調器反饋過來的報警命令時，則控制其指示燈閃爍[6-7]。

3.2 ZigBee協調器軟件設計

ZigBee協調器作為全功能設備，具有建立網絡、維護網絡的穩定性、管理終端節點入網和退網、接收來自終端節點的數據以及下發控制指令等功能[8-10]，其工作流程如圖5所示。

圖5 ZigBee協調器工作流程圖

ZigBee協調器完成初始化工作后，工作人員可操作觸摸屏，進行報警壽命值、安全值等參數的設置，并寫入E2PROM中，若無需重新設置參數，則維持默認設置值。巡檢人員手持協調器進行巡檢，人員移動到哪里，則在哪里建立一定信號范圍的ZigBee網絡，并接納該范圍內的終端節點入網。終端節點逐個入網后，在觸摸屏界面上展示，同時協調器主動采集各終端節點的實時壽命計時值，并與設定的報警壽命值比較，一旦兩者之間差值小于安全值，則下發報警命令給對應的終端節點，該終端節點的指示燈閃爍，提醒巡檢人員，應及時更換LED燈具。

4 結束語

文章基于ZigBee無線自組網通信技術，將照明燈具上的壽命計時器作為終端節點，巡檢人員手持的巡檢器作為協調器，工作人員移動到哪里，則ZigBee網絡建立到哪里，信號范圍內的終端節點逐個接入網絡，協調器主動采集各終端的實時壽命計時值，并進行比較和判斷，從而自動發出更換照明燈具的提示。該系統可有效保證礦井照明長亮，解決了礦井環境中因燈具壽命耗盡無法及時更換導致的安全問題，從而保護井內生產安全和人員生命安全。