基于無線通信的便攜式礦燈優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)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(guān)。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(jié)合當(dāng)前先進(jìn)通訊技術(shù)，設(shè)計具備瓦斯?jié)舛葯z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(biāo)。

由于現(xiàn)有煤礦井下用礦燈存在功能單一、穩(wěn)定性差、無法與地面監(jiān)控中心組成雙向?qū)崟r通信網(wǎng)絡(luò)等問題，對礦工人員實時定位、井下安全生產(chǎn)帶來許多不利和困難。而無線通信技術(shù)的應(yīng)用，可以為井下瓦斯?jié)舛取⑷藛T定位信息的無線傳輸帶來便利，從而達(dá)到井下便攜式礦燈數(shù)據(jù)實時、無線傳輸至地面監(jiān)控中心的目的。

筆者基于無線通信技術(shù)提出了便攜式智能礦燈優(yōu)化設(shè)計方案，重點對礦井瓦斯?jié)舛?、環(huán)境溫度、礦工移動速度的實時檢測功能、礦工定位標(biāo)簽、井下物資標(biāo)簽智能識別功能、無線通信功能進(jìn)行設(shè)計闡述，并通過系統(tǒng)測試驗證了上述功能的適用性和正確性，達(dá)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(yè)安全系數(shù)和作業(yè)效率具有重要意義。

1 便攜式礦燈總體設(shè)計及重點

便攜式礦燈總體優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)是在滿足多光源照明功能的前提下，能夠準(zhǔn)確、實時采集巷道瓦斯?jié)舛?、環(huán)境溫度、加速度、礦工定位標(biāo)簽、物資定位標(biāo)簽信息；能夠與地面監(jiān)控中心建立雙向?qū)崟r通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)礦燈本體數(shù)據(jù)的實時傳輸與共享；達(dá)到礦燈性能穩(wěn)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(yōu)化設(shè)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(biāo)簽、物料標(biāo)簽的智能識別及傳輸；建立礦燈本體與礦井環(huán)網(wǎng)的無線通信鏈路。

2 便攜式礦燈硬件設(shè)計

便攜式礦燈硬件設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhì)安全型電源雙電源供電，經(jīng)電源管理模塊后輸出DC3.3 V為S3C6410核心CPU供電。S3C6410通過瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲗崟r檢測巷道瓦斯?jié)舛?，通過溫度傳感器實時檢測井下環(huán)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(shù)據(jù)以及定位標(biāo)簽信息經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)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(huán)網(wǎng)，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(zhí)行控制指令，如獲取LOG、軟件升級等。該便攜式礦燈硬件系統(tǒng)還可完成電量檢測、數(shù)據(jù)存儲等功能。

圖1 便攜式礦燈硬件設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(tǒng)為基礎(chǔ)，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(gòu)，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(jié)構(gòu)復(fù)雜的內(nèi)核寄存器，滿足便攜式礦燈設(shè)計要求。

2.2 傳感器模塊

便攜式礦燈系統(tǒng)需采集的傳感器信息主要有瓦斯?jié)舛?、環(huán)境溫度以及加速度信息。瓦斯?jié)舛炔杉娐酚苫菟诡D電橋測量電路組成，當(dāng)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(jīng)放大、調(diào)理后的瓦斯?jié)舛入妷盒盘柡?，計算實際瓦斯?jié)舛戎挡⑦M(jìn)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(qū)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(wěn)定性，采用ASM1117穩(wěn)壓器為主控制器件，輸入為DC5V，以反向二極管為電壓保護(hù)，并聯(lián)10uF兩組電容過濾輸入信號的高頻、低頻信號，實現(xiàn)輸入信號的去耦合化，進(jìn)而達(dá)到DC 5V～3.3V的電壓轉(zhuǎn)換[3-4]。ASM1117穩(wěn)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(tài)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(biāo)簽以及井下物資標(biāo)簽信息并通過礦井井下無線網(wǎng)絡(luò)上傳至井上集控中心服務(wù)器。NRF24L01無線通信模塊與S3C6410 ARM11核心系統(tǒng)間采用SPI通信完成數(shù)據(jù)交互[5-7]。NRF24L01無線通信模塊支持2.4GHz ISM頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)2 Mbps，有效通信距離可達(dá)25 m，支持接收、發(fā)射、待機、掉電四種工作模式，以達(dá)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(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

便攜式礦燈軟件設(shè)計基于Linux Ubuntu12.04操作系統(tǒng)實現(xiàn)，按照搭建并移植Linux操作系統(tǒng)、開發(fā)Linux驅(qū)動程序、開發(fā)GUI應(yīng)用程序、整體軟件測試的步驟實現(xiàn)[8]。便攜式礦燈軟件總體設(shè)計框架如圖2所示，首先使用C語言編程礦燈控制驅(qū)動程序、通信(SPI、RS232)功能驅(qū)動程序；移植GUI應(yīng)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(xiàn)礦燈數(shù)據(jù)、指令的傳輸和響應(yīng)。

圖2 便攜式礦燈軟件總體設(shè)計框架

3.2 主程序設(shè)計

便攜式礦燈軟件主程序設(shè)計流程如圖3所示，首先完成S3C6410初始化，包括系統(tǒng)硬件初始化、操作系統(tǒng)初始化、時鐘配置、GPIO口配置、RCC配置、看門狗配置以及任務(wù)創(chuàng)建等。創(chuàng)建的指令收發(fā)線程開始執(zhí)行，接收并處理礦燈控制指令；創(chuàng)建的傳感器數(shù)據(jù)處理線程開始執(zhí)行，周期性地采集溫度、加速度以及瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù)，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)超限后觸發(fā)故障報警線程執(zhí)行；創(chuàng)建的數(shù)據(jù)顯示線程開始執(zhí)行，實時顯示礦燈運行狀態(tài)和故障信息；創(chuàng)建的無線數(shù)據(jù)收發(fā)線程開始執(zhí)行，將礦燈運行數(shù)據(jù)和故障信息上傳至地面監(jiān)控中心和服務(wù)器。

圖3 便攜式礦燈主程序設(shè)計流程

3.3 傳感器程序設(shè)計

傳感器數(shù)據(jù)處理線程中分別設(shè)立三個子任務(wù)，用于處理瓦斯?jié)舛?、溫度以及加速度?shù)據(jù)，并按照優(yōu)先級從高到底的順序依次切換執(zhí)行。任何一個子任務(wù)執(zhí)行過程中若發(fā)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)異常，則觸發(fā)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(shè)計

無線通信程序設(shè)計包括S3C6410芯片、NRF24L01無線通信模塊建立并維護(hù)SPI通信連接以及S3C6410芯片、WL1831MODGBMOCR WIFI模塊建立并維護(hù)RS232串口通信連接兩部分。SPI通信用于發(fā)送礦工定位標(biāo)簽、井下物資標(biāo)簽以及瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)。布置在礦井內(nèi)的無線接收器接收到該數(shù)據(jù)后再通過礦井環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至地面監(jiān)控中心。建立并維護(hù)SPI通信連接過程為：首先設(shè)置NRF24L01無線通信模塊為Standby模式；其次調(diào)用Linux操作系統(tǒng)提供的接收函數(shù)建立SPI通信連接；然后在建立成功的連接中寫入地址和數(shù)據(jù)；當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送成功后進(jìn)行休眠模式；當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送失敗后進(jìn)行二進(jìn)制防碰撞算法控制，直至發(fā)送成功。引入二進(jìn)制防碰撞算法機制的原因為：當(dāng)攜帶礦工定位標(biāo)簽的多個數(shù)據(jù)幀同時出現(xiàn)在同一個無線接收分站時存在競爭機制，引入二進(jìn)制防碰撞算法機制[9-10]，即二叉樹二進(jìn)制搜索算法可重新定義數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級，進(jìn)而重新確認(rèn)在同一分站內(nèi)的數(shù)據(jù)幀的發(fā)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(tǒng)提供了完備的RS232串口通信接口函數(shù)以及通信建立、維護(hù)示例。

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試環(huán)境

便攜式礦燈硬件測試條件為基于ARM11處理器的終端設(shè)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(tǒng)、arm-linux-gcc-4.4.1編譯工具、Secure CRT串口調(diào)試工具；操作系統(tǒng)為Linux3.0.1。在實驗室搭建便攜式礦燈測試環(huán)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(tǒng)運行，并使用Secure CRT工具監(jiān)測便攜式礦燈運行狀態(tài)。圖4所示為優(yōu)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(shù)據(jù)分析

對不同體積分?jǐn)?shù)瓦斯氣體進(jìn)行測試，并與礦燈實際檢測瓦斯體積分?jǐn)?shù)對比，計算誤差率，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1所列，誤差率在0.01%～0.12%之間，滿足系統(tǒng)誤差要求。

表1 實驗室測試不同體積分?jǐn)?shù)瓦斯檢測數(shù)據(jù)

模擬礦工不同位置數(shù)據(jù)，進(jìn)行礦燈人員定位測試，利用礦燈讀取的礦工人員定位標(biāo)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(shù)據(jù)做對比并計算誤差率，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2所列，最大誤差率為0.026%，滿足系統(tǒng)誤差要求。

表2 實驗室測試礦燈人員定位檢測數(shù)據(jù)

4.3 測試結(jié)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(jīng)實際測試發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)多光源照明以及切換功能；瓦斯?jié)舛?、環(huán)境溫度、加速度傳感器數(shù)據(jù)傳輸通道正常，數(shù)據(jù)采集功能正常；可準(zhǔn)確、實時采集礦工定位標(biāo)簽、物資標(biāo)簽并將數(shù)據(jù)上傳至地面監(jiān)控中心。

5 結(jié) 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(shè)計思路和方法，基于Linux操作系統(tǒng)，融合ARM控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及無線通信技術(shù)對原便攜式礦燈系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并完成系統(tǒng)測試。

(1) 優(yōu)化后的便攜式礦燈系統(tǒng)，在滿足多光源照明和切換的前提下，實現(xiàn)了瓦斯?jié)舛?、礦燈標(biāo)簽等重要信息的采集和上傳，與地面監(jiān)控中心建立了可靠、安全的雙向?qū)崟r通信通道。

(2) 經(jīng)實驗室系統(tǒng)測試，優(yōu)化后的礦燈系統(tǒng)滿足設(shè)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(yè)安全系數(shù)和作業(yè)效率。