基于無線通信的便攜式礦燈優化設計與應用*

成志嬋

(山西焦煤西山煤電斜溝礦,山西 呂梁 033602)

0 引 言

煤礦井下用礦燈作為礦工的眼睛，與井下工作人員的生命安全、工作效率息息相關。礦燈除井下照明功能外，還需能夠保障礦工工作安全、生命安全。因此，結合當前先進通訊技術，設計具備瓦斯濃度檢測、人員實時定位的智能型、便攜式礦燈成為提升礦燈功能的重要目標。

由于現有煤礦井下用礦燈存在功能單一、穩定性差、無法與地面監控中心組成雙向實時通信網絡等問題，對礦工人員實時定位、井下安全生產帶來許多不利和困難。而無線通信技術的應用，可以為井下瓦斯濃度、人員定位信息的無線傳輸帶來便利，從而達到井下便攜式礦燈數據實時、無線傳輸至地面監控中心的目的。

筆者基于無線通信技術提出了便攜式智能礦燈優化設計方案，重點對礦井瓦斯濃度、環境溫度、礦工移動速度的實時檢測功能、礦工定位標簽、井下物資標簽智能識別功能、無線通信功能進行設計闡述，并通過系統測試驗證了上述功能的適用性和正確性，達到礦燈智能化、信息化、多功能化的目的，對提升礦工井下作業安全系數和作業效率具有重要意義。

1 便攜式礦燈總體設計及重點

便攜式礦燈總體優化設計目標是在滿足多光源照明功能的前提下，能夠準確、實時采集巷道瓦斯濃度、環境溫度、加速度、礦工定位標簽、物資定位標簽信息；能夠與地面監控中心建立雙向實時通信網絡，實現礦燈本體數據的實時傳輸與共享；達到礦燈性能穩定可靠、實時性高、操作方便、適用性好、智能化水平高的目的。便攜式礦燈優化設計的重點是瓦斯、溫度、加速度等信息的實時采集、智能傳輸；礦工標簽、物料標簽的智能識別及傳輸；建立礦燈本體與礦井環網的無線通信鏈路。

2 便攜式礦燈硬件設計

便攜式礦燈硬件設計系統結構如圖1所示，以三星公司的S3C6410 ARM11芯片為控制核心[1-2]，主要由電源管理模塊、無線通信模塊、WIFI無線通信模塊、傳感器模塊等組成，工作原理為：由磷酸鐵鋰電池、隔爆兼本質安全型電源雙電源供電，經電源管理模塊后輸出DC3.3 V為S3C6410核心CPU供電。S3C6410通過瓦斯濃度傳感器實時檢測巷道瓦斯濃度，通過溫度傳感器實時檢測井下環境溫度，通過加速度傳感器檢測井下人員，檢測到的傳感器數據以及定位標簽信息經模數轉換、邏輯處理后通過NRF24L01無線通信模塊傳送至礦井井下無線環網，同時在液晶顯示屏上顯示；用戶控制該礦燈的控制指令可由WIFI模塊接受，由S3C6410執行控制指令，如獲取LOG、軟件升級等。該便攜式礦燈硬件系統還可完成電量檢測、數據存儲等功能。

圖1 便攜式礦燈硬件設計系統結構

2.1 核心控制模塊

便攜式礦燈核心控制模塊以S3C6410 ARM11最小核心系統為基礎，由擴展時鐘電路、報警電路、指示燈電路、多路按鍵電路、液晶顯示電路、Flash電路以及電量檢測電路組成。S3C6410芯片以ARMv6為架構，支持ARM+Thumb指令、8級流水線、矢量中斷接口、軟件手動壓棧以及7種工作模式，具備1.238D MIPS/MHz指令處理速度，功耗為0.4 Mw/MHz，擁有多組結構復雜的內核寄存器，滿足便攜式礦燈設計要求。

2.2 傳感器模塊

便攜式礦燈系統需采集的傳感器信息主要有瓦斯濃度、環境溫度以及加速度信息。瓦斯濃度采集電路由惠斯頓電橋測量電路組成，當帶催化劑的敏感元件受熱后阻值增大，而不帶催化劑的補償元件阻值不變時，電橋測量電路不平衡，輸出電壓不為零。S3C6410芯片檢測到經放大、調理后的瓦斯濃度電壓信號后，計算實際瓦斯濃度值并進行閾值判斷。加速度傳感器的目的是檢測礦工生命體征是否正常，由S3C6410芯片的GPIO口驅動。

2.3 電源管理模塊

電源管理模塊為礦燈提供電源并保證電源的穩定性，采用ASM1117穩壓器為主控制器件，輸入為DC5V，以反向二極管為電壓保護，并聯10uF兩組電容過濾輸入信號的高頻、低頻信號，實現輸入信號的去耦合化，進而達到DC 5V～3.3V的電壓轉換[3-4]。ASM1117穩壓器的輸出電壓為3.267～3.333 V，電壓差最大為1.3 V，電流限制為900～1 500 mA，最大靜態電流為10 mA，最小紋波抑制為60 dB。

2.4 無線通信模塊

通信模塊包括NRF24L01無線通信模塊以及WIFI無線通信模塊。NRF24L01無線通信模塊用于采集礦工定位標簽以及井下物資標簽信息并通過礦井井下無線網絡上傳至井上集控中心服務器。NRF24L01無線通信模塊與S3C6410 ARM11核心系統間采用SPI通信完成數據交互[5-7]。NRF24L01無線通信模塊支持2.4GHz ISM頻段，數據傳輸速率高達2 Mbps，有效通信距離可達25 m，支持接收、發射、待機、掉電四種工作模式，以達到降低功耗的目的。WIFI無線通信模塊為RS232串口通信模式，與S3C6410芯片完成AT指令、抓取LOG以及軟件升級等功能，具體選用的型號為WL1831MODGBMOCR。

3 便攜式礦燈軟件設計

3.1 軟件總體設計

便攜式礦燈軟件設計基于Linux Ubuntu12.04操作系統實現，按照搭建并移植Linux操作系統、開發Linux驅動程序、開發GUI應用程序、整體軟件測試的步驟實現[8]。便攜式礦燈軟件總體設計框架如圖2所示，首先使用C語言編程礦燈控制驅動程序、通信(SPI、RS232)功能驅動程序；移植GUI應用程序用到的文件庫、Qtopia以及SQLite，最后編寫用戶界面程序，實現礦燈數據、指令的傳輸和響應。

圖2 便攜式礦燈軟件總體設計框架

3.2 主程序設計

便攜式礦燈軟件主程序設計流程如圖3所示，首先完成S3C6410初始化，包括系統硬件初始化、操作系統初始化、時鐘配置、GPIO口配置、RCC配置、看門狗配置以及任務創建等。創建的指令收發線程開始執行，接收并處理礦燈控制指令；創建的傳感器數據處理線程開始執行，周期性地采集溫度、加速度以及瓦斯濃度傳感器數據，當傳感器數據超限后觸發故障報警線程執行；創建的數據顯示線程開始執行，實時顯示礦燈運行狀態和故障信息；創建的無線數據收發線程開始執行，將礦燈運行數據和故障信息上傳至地面監控中心和服務器。

圖3 便攜式礦燈主程序設計流程

3.3 傳感器程序設計

傳感器數據處理線程中分別設立三個子任務，用于處理瓦斯濃度、溫度以及加速度數據，并按照優先級從高到底的順序依次切換執行。任何一個子任務執行過程中若發現傳感器數據異常，則觸發報警裝置報警并將報警信息傳送至液晶顯示器。

3.4 無線通信程序設計

無線通信程序設計包括S3C6410芯片、NRF24L01無線通信模塊建立并維護SPI通信連接以及S3C6410芯片、WL1831MODGBMOCR WIFI模塊建立并維護RS232串口通信連接兩部分。SPI通信用于發送礦工定位標簽、井下物資標簽以及瓦斯濃度數據。布置在礦井內的無線接收器接收到該數據后再通過礦井環網將數據傳送至地面監控中心。建立并維護SPI通信連接過程為：首先設置NRF24L01無線通信模塊為Standby模式；其次調用Linux操作系統提供的接收函數建立SPI通信連接；然后在建立成功的連接中寫入地址和數據；當數據發送成功后進行休眠模式；當數據發送失敗后進行二進制防碰撞算法控制，直至發送成功。引入二進制防碰撞算法機制的原因為：當攜帶礦工定位標簽的多個數據幀同時出現在同一個無線接收分站時存在競爭機制，引入二進制防碰撞算法機制[9-10]，即二叉樹二進制搜索算法可重新定義數據幀的優先級，進而重新確認在同一分站內的數據幀的發送順序。S3C6410芯片與WIFI模塊間采用RS232串口通信完成AT指令交互，Linux操作系統提供了完備的RS232串口通信接口函數以及通信建立、維護示例。

4 系統測試

4.1 測試環境

便攜式礦燈硬件測試條件為基于ARM11處理器的終端設備、NRF24L01無線通信模塊、WL1831MODGBMOCR WIF無線通信模塊；軟件測試條件為ubantu12.04操作系統、arm-linux-gcc-4.4.1編譯工具、Secure CRT串口調試工具；操作系統為Linux3.0.1。在實驗室搭建便攜式礦燈測試環境，在保證硬線連接正常、通信正常的情況下，接通電源，使系統運行，并使用Secure CRT工具監測便攜式礦燈運行狀態。圖4所示為優化后的便攜式礦燈控制電路，圖5所示為礦燈實際測試過程圖。

圖4 礦燈控制電路 圖5 礦燈實際測試過程

4.2 測試數據分析

對不同體積分數瓦斯氣體進行測試，并與礦燈實際檢測瓦斯體積分數對比，計算誤差率，統計數據見表1所列，誤差率在0.01%～0.12%之間，滿足系統誤差要求。

表1 實驗室測試不同體積分數瓦斯檢測數據

模擬礦工不同位置數據，進行礦燈人員定位測試，利用礦燈讀取的礦工人員定位標簽信息以及讀取時間計算檢測到的礦燈人員位置信息，與實際位置數據做對比并計算誤差率，統計數據見表2所列，最大誤差率為0.026%，滿足系統誤差要求。

表2 實驗室測試礦燈人員定位檢測數據

4.3 測試結果

便攜式礦燈的供電電池為磷酸鐵鋰，供電電源為3.7 V、10 A·h。經實際測試發現，礦燈的平均輸出電流為500 mA，可保證礦燈正常使用20 h以上；可實現多光源照明以及切換功能；瓦斯濃度、環境溫度、加速度傳感器數據傳輸通道正常，數據采集功能正常；可準確、實時采集礦工定位標簽、物資標簽并將數據上傳至地面監控中心。

5 結 論

以礦井用便攜式礦燈為研究對象，重點介紹了硬件、軟件設計思路和方法，基于Linux操作系統，融合ARM控制技術、傳感器技術以及無線通信技術對原便攜式礦燈系統進行優化并完成系統測試。

(1) 優化后的便攜式礦燈系統，在滿足多光源照明和切換的前提下，實現了瓦斯濃度、礦燈標簽等重要信息的采集和上傳，與地面監控中心建立了可靠、安全的雙向實時通信通道。

(2) 經實驗室系統測試，優化后的礦燈系統滿足設計要求，提高了礦燈的智能化水平，有助于提升礦工井下作業安全系數和作業效率。