基于ZigBee的礦用照明燈具壽命提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐力軍

余姚市科技創(chuàng)新服務(wù)中心，浙江 寧波 315400

0 引言

2020年，全國(guó)煤礦發(fā)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(chǎn)工作取得了明顯成效，但是煤礦安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻，而照明設(shè)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(xué)者進(jìn)行了礦井照明安全性及穩(wěn)定性的研究。高云廣[1]提出了基于PLC的煤礦井下照明保護(hù)系統(tǒng)，增加了保護(hù)系統(tǒng)的可靠性；原紅飛[2]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井智慧照明系統(tǒng)，選擇合理的照明方式，有效節(jié)約了能源，提高了能源利用率；李雪梅[3]設(shè)計(jì)了礦井應(yīng)急無(wú)源LED照明系統(tǒng)，在礦井下采用綠色照明能消除照明產(chǎn)品對(duì)環(huán)境造成的不利影響，提高生產(chǎn)的安全性。文章提出基于ZigBee的礦用照明燈具壽命提示系統(tǒng)，在每個(gè)照明燈具上設(shè)置一個(gè)壽命計(jì)時(shí)器，燈具一旦通電亮起，壽命計(jì)時(shí)器即自動(dòng)開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)工作人員手持巡檢器進(jìn)行巡檢時(shí)，各壽命計(jì)時(shí)器將逐個(gè)接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，巡檢器主動(dòng)采集各壽命計(jì)時(shí)器的實(shí)時(shí)壽命計(jì)時(shí)值，并與設(shè)置的報(bào)警壽命值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者的差值小于安全值，則控制相應(yīng)壽命計(jì)時(shí)器的指示燈閃爍，以此提醒工作人員及時(shí)更換燈具，從而保障生產(chǎn)作業(yè)安全。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1所示，包括至少1個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、1個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器。給礦井現(xiàn)場(chǎng)的每個(gè)照明燈具設(shè)置一個(gè)壽命計(jì)時(shí)器，將其作為ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，工作人員巡檢用的手持巡檢器作為ZigBee協(xié)調(diào)器，工作人員可操作觸摸屏，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置報(bào)警壽命值及安全值。當(dāng)工作人員攜帶的巡檢器與照明燈具的距離達(dá)到建立ZigBee通信的有效距離范圍內(nèi)時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)逐個(gè)自動(dòng)接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，巡檢器主動(dòng)采集各終端節(jié)點(diǎn)計(jì)得的實(shí)時(shí)壽命計(jì)時(shí)值，并與設(shè)定的報(bào)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(fā)送命令給相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)控制其連接的指示燈閃爍，以此提醒工作人員，及時(shí)更換燈具。

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)成圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由壽命計(jì)時(shí)器、巡檢器兩部分組成。

2.1 壽命計(jì)時(shí)器

壽命計(jì)時(shí)器硬件組成如圖2所示，主要包括電源電路、無(wú)線收發(fā)電路、MCU、驅(qū)動(dòng)電路、LED燈具、E2PROM及指示燈。

圖2 壽命計(jì)時(shí)器硬件組成圖

壽命計(jì)時(shí)器設(shè)置在照明燈具上，從照明燈具中取電，經(jīng)電源電路處理后，得到合適的電壓、電流等級(jí)，給各電路部件供電。MCU選用CC2530單片機(jī)，其內(nèi)置8051內(nèi)核和RF收發(fā)器，能以極低的功耗迅速建立穩(wěn)定的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。MCU通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制LED燈具提供照明，一旦LED燈具通電亮起，MCU即自動(dòng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，得到的計(jì)時(shí)值即為該燈具的實(shí)時(shí)壽命值，將該值按設(shè)定的周期寫(xiě)入E2PROM中，可實(shí)現(xiàn)掉電不丟失，且該值不斷刷新，下一次重新通電會(huì)累加計(jì)時(shí)。當(dāng)接收到巡檢器發(fā)來(lái)的采集命令時(shí)，由壽命計(jì)時(shí)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(wú)線收發(fā)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(xié)調(diào)器設(shè)備，工作人員可操作觸摸屏，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置報(bào)警壽命值及安全值，并寫(xiě)入E2PROM中，下次開(kāi)機(jī)不需要重新設(shè)置，程序下載電路用于下載默認(rèn)設(shè)置。

壽命計(jì)時(shí)器與巡檢器基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向無(wú)線通信。一方面，壽命計(jì)時(shí)器可接收巡檢器發(fā)送過(guò)來(lái)的采集命令，將實(shí)時(shí)壽命值上傳給巡檢器；另一方面，巡檢器將采集到的壽命計(jì)時(shí)值與設(shè)置的報(bào)警壽命值進(jìn)行比較，若判斷為滿足報(bào)警條件，則發(fā)送報(bào)警命令給相應(yīng)的壽命計(jì)時(shí)器，壽命計(jì)時(shí)器控制其連接的指示燈閃爍。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要完成燈具壽命計(jì)時(shí)、報(bào)警提示兩個(gè)功能，其工作流程如圖4所示。

圖4 直流智能調(diào)光系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖4 終端節(jié)點(diǎn)工作流程圖

終端節(jié)點(diǎn)上電進(jìn)行初始化后，LED燈具亮起，自動(dòng)開(kāi)啟計(jì)時(shí)，得到實(shí)時(shí)壽命值，并周期性寫(xiě)入E2PROM保存。終端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)范圍內(nèi)是否存在指定的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)巡檢人員手持巡檢器，進(jìn)入有效信號(hào)范圍內(nèi)時(shí)，終端發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，請(qǐng)求加入該ZigBee網(wǎng)絡(luò)。入網(wǎng)成功后，終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的采集命令，將計(jì)得的實(shí)時(shí)壽命值回復(fù)給將協(xié)調(diào)器；而當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)接收到協(xié)調(diào)器反饋過(guò)來(lái)的報(bào)警命令時(shí)，則控制其指示燈閃爍[6-7]。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器作為全功能設(shè)備，具有建立網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、管理終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和退網(wǎng)、接收來(lái)自終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及下發(fā)控制指令等功能[8-10]，其工作流程如圖5所示。

圖5 ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程圖

ZigBee協(xié)調(diào)器完成初始化工作后，工作人員可操作觸摸屏，進(jìn)行報(bào)警壽命值、安全值等參數(shù)的設(shè)置，并寫(xiě)入E2PROM中，若無(wú)需重新設(shè)置參數(shù)，則維持默認(rèn)設(shè)置值。巡檢人員手持協(xié)調(diào)器進(jìn)行巡檢，人員移動(dòng)到哪里，則在哪里建立一定信號(hào)范圍的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并接納該范圍內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。終端節(jié)點(diǎn)逐個(gè)入網(wǎng)后，在觸摸屏界面上展示，同時(shí)協(xié)調(diào)器主動(dòng)采集各終端節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)壽命計(jì)時(shí)值，并與設(shè)定的報(bào)警壽命值比較，一旦兩者之間差值小于安全值，則下發(fā)報(bào)警命令給對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，該終端節(jié)點(diǎn)的指示燈閃爍，提醒巡檢人員，應(yīng)及時(shí)更換LED燈具。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章基于ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)通信技術(shù)，將照明燈具上的壽命計(jì)時(shí)器作為終端節(jié)點(diǎn)，巡檢人員手持的巡檢器作為協(xié)調(diào)器，工作人員移動(dòng)到哪里，則ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立到哪里，信號(hào)范圍內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)逐個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器主動(dòng)采集各終端的實(shí)時(shí)壽命計(jì)時(shí)值，并進(jìn)行比較和判斷，從而自動(dòng)發(fā)出更換照明燈具的提示。該系統(tǒng)可有效保證礦井照明長(zhǎng)亮，解決了礦井環(huán)境中因燈具壽命耗盡無(wú)法及時(shí)更換導(dǎo)致的安全問(wèn)題，從而保護(hù)井內(nèi)生產(chǎn)安全和人員生命安全。