基于人员定位及瓦斯监测的智能矿灯设计

朱广

（安徽建筑工业学院 机电学院，合肥 230601）

1 引言

矿灯是煤矿井下矿工的眼睛，矿灯的好坏直接影响着井下矿工的生命安全与工作效益，随着科技创新的不断发展，对矿灯要求越来越高。安全性和多功能性越来越成为矿灯重要的指标，早期的矿灯功能单一，大多数只有照明功能，即使后来出现的报警矿灯也只具有瓦斯监测报警功能，并没有与地面联网构成系统，地面管理人员无法通过报警矿灯及时获取井下瓦斯状况，更无法知道井下人员的位置、分布等信息。新型多功能矿灯具有瓦斯监测超限报警功能且能够将信息传输至地面中心站，解决了原报警灯信号不能被上位机获取的问题。同时该矿灯能够将井下人员分布、位置信息及时上传地面中心站。改变了传统矿灯的功能单一问题，从而提高了煤矿的安全生产和防灾救灾能力［1，2］。

具有瓦斯监测、人员定位等功能的新型智能矿灯，可以实现矿灯瓦斯的移动监测，同时还能够实现井下人员定位，而传统的矿灯大部分还只是照明工具，即使有些矿灯也具备瓦斯检测报警功能，但检测数据并没有上传至地面，本智能矿灯是对传统矿灯的一大改进，通过将瓦斯数据和人员定位数据上传地面中心站，使地面能够及时了解井下人员的位置、分布及瓦斯含量，从而能够提高煤矿安全生产能力［3］。

2 总体设计

将矿灯系统与PC 机结合起来构成一个集照明、瓦斯监测、瓦斯超限报警及人员定位的多功能系统，提高了煤矿生产的自动化水平。本系统以单片机为核心构成智能瓦斯报警器，能够实现对矿井瓦斯浓度的采集和报警控制、信号滤波、零点漂移的抑制和非线性处理等。克服了当前瓦斯报警矿灯存在零点漂移较大，维护周期短，抗机械干扰能力差等问题。

采用无线通信技术和现场总线技术使矿灯具有人员移动定位的功能，通过现场总线可将这些信息传输到地面中心站，使地面管理人员能够了解井下人员的位置及分布信息，实现了矿灯的多功能性，从而可以解决当前瓦斯报警矿灯功能单一的问题［4］。

如图1 所示，由智能矿灯通过现场总线及传输接口至地面上位机，嵌入到当前的矿井安全监控大系统中。从而完成了人员定位和瓦斯监测的功能。无线通信模块采用单片射频收发器芯片nRF905，来实现瓦斯信息和人员位置信息的上传，从而可以构成一个集照明、瓦斯监测报警、人员定位的综合系统。其中人员信息用矿灯的编号来表示，人员的位置用无线接收分站的位置表示。

图1 由智能矿灯构成的瓦斯监测、人员定位综合系统

3 矿灯系统硬件设计

矿灯的硬件主要包括：单片机主控电路、瓦斯监测电路、无线通信电路、报警功能电路、显示电路。结构组成如图2 所示。

图2 矿灯的结构组成图

3.1 单片机主控电路

MCU 选择MSP430 系列的一款低功耗单片机。它是TI公司近年来推出的一款高档16 位单片机，片上外围功能模块丰富，超低功耗，性价比高，开发方便简洁。片内已集成10 通道AD，3个并行端口，一个RS485 串行通讯口［5］，被广泛应用于便携式仪表、智能传感器、工业监测等领域。如图3，全部已通过网络标号与外围电路连接，实现对应的功能。

图3 单片机主控电路

3.2 瓦斯监控及无线收发模块

瓦斯功能模块主要由瓦斯监测电路来实现瓦斯监测，瓦斯检测电路由瓦斯传感器、信号放大电路等组成。瓦斯传感器内部是基于电桥的检测原理，在瓦斯含量为零时电桥是平衡的，没有电压输出。当空气中含有瓦斯气体时，瓦斯气体使传感器内部的催化元件产生无焰催化燃烧，从而温度增高，桥臂的阻值变化，此时电桥不再平衡，故有信号电压输出［6］。这个电压信号，经过放大等信号调理后输入单片机的AD 口，单片机通过AD 采集信号，经过软件计算后将瓦斯浓度在液晶上显示出来，并判断当前的瓦斯浓度是否超过瓦斯含量的上限，如若超限则继电器动作从而驱动声光报警。瓦斯传感器选择气敏传感器MJC4/3.0，瓦斯监测电路如图4 所示。

图4 瓦斯监测电路

无线发射模块采用nRF905 模快，nRF905 无线收发模块是挪威Nordic 公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1.9～3.6V，QFN封装，工作于433/868/915MHz3个ISM 频道。nRF905 模块负责将数据（矿灯编号和瓦斯浓度数据）发送出去，由对应的接收装置（接收分站）接收，接收装置将接收的数据通过总线传送至地面监控中心。监控中心通过上位机软件和数据库完成瓦斯信息的实时监测，同时根据接收分站地址、矿灯编号完成人员的实时定位。nRF905 电路接口如图5 所示。

图5 nRF905 模块接口图

图6 3.3V 电源电路

图7 2.5V 电源电路

3.3 电源电路

电源采用低压差线性芯片SPX1117-3.3，该芯片能够输出稳定的3.3V 电压，给MCU 提供工作电源。同时采用MC1403 芯片产生2.5V 给传感器供电，电源电路如图6、7所示。

3.4 报警及显示电路

图8 报警电路

报警模块主要采用三极管9013 来驱动发光二极管及扬声器实现声光报警。如图8 所示，ALARM 接 到 MCU的P2.0 口，当该端口输出“1”时，三极管导通，蜂鸣器的地回路通过三极管接通，蜂鸣器鸣叫。

LCD 显示主要用来实时显示当前的瓦斯浓度。液晶采用12864，八个数据口（DB0-DB7）分别接MCU的P1 口及部分P2 口，RD、WR为 液晶的三个控制引脚，分别读、写。分别接到MCU的P3.4 和P3.5，由这两个端口控制液晶的读写。如图9 所示。

图9 液晶显示电路

4 软件设计

4.1 矿灯主程序设计

采用freescale 16 位增强型HCS12 CPU，片内总线频率达60MHz，内置watchdog，可防程序死锁跑飞。内置低功耗睡眠功能，芯片可加密，只需要设置几个寄存器就能实现程序的加密，可防止程序代码的非法拷贝。软件用C语言编程，采用模块化设计方法，包括主程序，初始化子程序，数据采集子程序，发送/接受子程序，光报警及声报警驱动程序等。主程序流程图如图10 所示。

图10 矿灯主程序

4.2 无线通信软件设计

瓦斯监测量和员工身份信息都是通过无线通信传给接受分站，考虑到多个携带标签的矿灯（矿工）出现在一个分站时，就涉及的如何防碰撞的问题，本系统采用二级制搜素算法来解决标签碰撞的问题。标签的整个工作流程如图11 所示。

数据包括两个部分，员工身份信息（用矿灯ID 表示）和瓦斯浓度，两部分按照通信协议组成一帧发送出去，人员ID 是一个8 位的二进制数据，处于一帧的前部分，首先传送的是这一部分，当发生碰撞时，利用二进制碰撞算法对这一部分数据进行处理，从而确定要碰撞矿灯发送数据的先后顺序。整个无线通信都由模块nRF905 完成，它能够全双工通信，即可以同时发射和与接收数据。MCU 将数据通过SPI 接口发送给nRF905 模块，该模块会自动在数据前后分别加上前导码和校验码，组成一帧数据发送出去［7］。

图11 标签工作流程

5 结语

本文就一种新型多功能智能矿灯系统的设计展开分析。讨论了瓦斯监测和人员定位功能在矿灯上的实现，本系统已经在部分煤矿得到应用，实验证明，系统运行效果良好，稳定可靠。随着信息技术的发展，相信矿灯将会集成更多更有用的功能，为提高煤矿安全生产发挥重要作用。

［1］谷守碌.我国瓦斯报警矿灯的现状及其发展方向的探讨［J］.煤炭科学技术，1996，24（4）：35-37.

［2］张景辉，文熙权.单片机控制甲烷警报矿灯的研制［J］.煤炭技术，2002，21（1）：20-21.

［3］刘海军.甲烷报警矿灯的应用实践［J］.煤，2006（4）：34-35.

［4］田大垒，关荣锋，王杏.新型LED 矿灯的设计与仿真［J］.煤矿机电，2007（6）：46-47.

［5］MSP430 datasheet［EB/OL］.http://www.TI.com，2007.

［6］闫一功，张磊.矿灯式甲烷测报仪设计［J］.煤矿安全，2008（9）：13-14.

［7］吴强，沈斌，刘新蕾.基于微功率无线通信的瓦斯报警矿灯研究［J］.煤矿机械，2008，29（12）：139-140.