一種基于51單片機智能礦燈的設(shè)計與實現(xiàn)

高明洋 張家鳴 沈杰

摘要：井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜且危險，瓦斯氣體是威脅井下人員生命安全的關(guān)鍵因素。礦燈不僅是照明工具而且可以具有更多智能的功能。目前市面上很多智能礦燈都具有瓦斯氣體監(jiān)測以及自動定位功能，但其在信號傳輸以及定位精度上還存有很多不足，以及不夠智能化。文中設(shè)計了一種新型智能礦燈，不僅具有瓦斯監(jiān)測報警功能，還運用4G移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了與地面移動端APP的通信連接，同時提高了GPS定位精度，為后期救援提供了有力保障，有效保障了井下人員的安全。

關(guān)鍵詞：51單片機;智能礦燈;移動端APP;GPS定位

中圖分類號：TP319 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）08-0239-02

在煤礦開采中，礦燈是井下工作人員的眼睛。礦燈的功效直接影響到礦工的安全和效率。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦業(yè)對礦燈的要求越來越高，礦燈的安全性和豐富的功能需求越來越多。傳統(tǒng)的礦燈功能單一，只有一個照明功能。即便增加報警功能的礦燈也只有瓦斯監(jiān)測和報警功能，無法真正保障礦工井下工人的安全。地面管理人員無法及時通過報警礦燈獲取井下瓦斯?fàn)顟B(tài)，不穩(wěn)定的通信信號也造成定位相當(dāng)不準(zhǔn)確。所以，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對礦燈進行革新設(shè)計具有重要的意義[1-4]。據(jù)此，系統(tǒng)以礦燈為硬件載體，設(shè)計一種智能礦燈，運用無線通信技術(shù)讓其與地面移動端APP進行連接，完成地面與井下人員信息的實時監(jiān)測。

1 智能礦燈設(shè)計方案

智能礦燈以單片機為核心處理器，具有基本的井下照明、瓦斯監(jiān)測和報警，以及人員的GPS定位等多種功能使煤礦信息化和智能化水平得到提升。該智能礦燈運用單片機完成對瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測與超限報警，同時實現(xiàn)智能礦燈照明亮度調(diào)節(jié)，具有低能耗，高效率的特點。同時，運用移動無線通信與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建，從而實現(xiàn)智能礦燈與地面人員APP端互聯(lián)互通，完成語音通話，使礦燈具有移動和定位人員的功能。并且在瓦斯?jié)舛冗^高以及采礦人員遇到危險時可以向地面監(jiān)測APP進行實時反饋，以保證用戶在發(fā)生危險的情況時能及時地獲得幫助有效幫助，如圖1。

2 核心硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 照明模塊設(shè)計與實現(xiàn)

照明系統(tǒng)是礦燈的基本功能模塊，本模塊在硬件照明上進行了小的改進。因為AT89C51單片機在處理器10接口上引入的電流驅(qū)動比較微弱。故控制礦燈工作時，就需要將微弱信號電流放大.從而滿足照明需求。改造后的系統(tǒng)電路如圖2所示。

2.2 瓦斯監(jiān)測報警模塊

瓦斯監(jiān)測報警是保障井下人員生命安全的關(guān)鍵之一，正常情況下，在瓦斯?jié)舛葲]有超過設(shè)定的報警值時，礦燈報警模塊閃光燈以及蜂鳴器都不會出現(xiàn)異動。瓦斯?jié)舛葯z測傳感器會記錄數(shù)值，實時傳遞到井上連接的APP端，顯示井下瓦斯情況。若一旦出現(xiàn)瓦斯?jié)舛冗^高，蜂鳴器就會立即發(fā)出警報，主照明的燈光就會不斷閃爍，提醒井下工作者停止開采，采取安全措施撤離。如圖3為瓦斯監(jiān)測報警模塊電路圖。

2.3GPS定位模塊

GPS定位模塊也是系統(tǒng)中人員安全功能，采用GPS采用Zarlink公司的GP2010，該模塊具有三級射頻信號發(fā)送，可以及時采集智能礦燈的位置信息，然后反饋到處理器中。其外接直流電壓為5V，其信號接收天線使用電壓為3.2V，后置一個RF輸入接口。在射頻輸出接口上，模擬中頻信號為4.306MHz，工作電壓為直流1.6V?；鶐幚砥鬟B接接口具有引腳14個，這些端口主要完成信號控制以及輸出、輸入處理。但因為礦洞十?dāng)_較強，GPS直接定位很容易出現(xiàn)誤差，最小誤差都在5米以上。如圖4為GPS定位模塊部分電路圖。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)安卓客戶端軟件采用Java語言進行開發(fā)，JDK版本為jdkl.8.0102。開發(fā)T具為Android studio。

3.2 軟件功能及流程

軟件包括用戶注冊和登錄，用戶注冊并登錄成功后，可以進行智能礦燈編號選擇，完成與該礦燈的實時監(jiān)測連通。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定以及實時信息的精準(zhǔn)，采用的是一個賬號監(jiān)測一臺智能礦燈，這樣更穩(wěn)定的進行語音通信等功能實現(xiàn)，其具體流程圖如5所示。

在軟件客戶端設(shè)計中，需要完成服務(wù)器主控制器的設(shè)計。初始化服務(wù)器后，它就可以接收安卓設(shè)備發(fā)送的日志數(shù)據(jù)了。如果服務(wù)器接受不到數(shù)據(jù)，則一直等待。當(dāng)接收到來白安卓設(shè)備的數(shù)據(jù)時，將對數(shù)據(jù)進行分析，然后確定接收到的數(shù)據(jù)是否是設(shè)備命令，如果接收到的數(shù)據(jù)是設(shè)備命令，則將工作模式設(shè)置為發(fā)送模式，將從安卓設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)封裝，打包后發(fā)送到分包商根據(jù)通信協(xié)議的格式完成設(shè)備命令的調(diào)度。如果沒有，他將評估安卓設(shè)備是否需要操作數(shù)據(jù)庫。如果是，服務(wù)器將更新數(shù)據(jù)庫或返回用戶所需的數(shù)據(jù)。如果它不是數(shù)據(jù)庫的期望操作，它將返回等待安卓設(shè)備的數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)測試中，首先對智能礦燈所在的環(huán)境進行實測。本文次測試項目對瓦斯?jié)舛葯z測情況、GPS定位精度、語音通信穩(wěn)定性、軟件信號接收實時性等多方面進行測試。在測試過程中，對每一組測試項目進行了多達(dá)60多次測試，其中重點測試了語音安全通話，GPS定位精度以及瓦斯?jié)舛葯z測報警模塊等，測試基本情況如表1所示。

從表1可以知道，在多達(dá)60次測試過程里面，4G語音通信基本上信號穩(wěn)定波動較下，測試結(jié)果正常;在對GPS模塊測試時，地面誤差可以忽略不計，在很小的范圍中，相當(dāng)精準(zhǔn)，但到了井下環(huán)境測試時，卻存有一定的誤差，主要體現(xiàn)在井下環(huán)境復(fù)雜，信號傳輸衰弱較快，造成信息失真，經(jīng)過反復(fù)測試后了，誤差可以確定在1米左右，比一般的人員定位精度提高了2米。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計采用了先進的移動通信技術(shù)以及瓦斯監(jiān)測傳感器，同時具備GPS精準(zhǔn)定位，然后在地面上運用手機APP就能進行監(jiān)測與管控，完成與井下工作人員的溝通協(xié)作，從而降低了井下人員工作人員安全發(fā)生事故。本系統(tǒng)具有高性能、低功耗、功能易擴展等優(yōu)點。這種智能礦燈是一種物聯(lián)網(wǎng)的綜合應(yīng)用，不僅增強了井下人員安全保障，還帶動了煤礦行業(yè)信息化、智能化發(fā)展，對煤礦企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展具有積極促進作用。

參考文獻：

[1]張帝，董飛，高彬，等.基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的智能礦燈設(shè)計[J].工礦自動化，2018，44（2）：23-27.

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[3]黃一波.基于瓦斯檢測與人員定位新型智能礦燈的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2016.

[4]趙舒暢，曹利波，任玉東.基于STM32智能礦燈系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭工程，2014，46（6）：25-27.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】