基于GIS技术矿灯智能充电架的研究*

杨迎新， 赵树忠， 张顺玲

(1.河北联合大学，河北 唐山 063009；2.开滦赵各庄矿劳动服务公司，河北 唐山 063101)

基于GIS技术矿灯智能充电架的研究*

杨迎新1*， 赵树忠1， 张顺玲2

(1.河北联合大学，河北 唐山 063009；2.开滦赵各庄矿劳动服务公司，河北 唐山 063101)

针对开滦公司矿灯充电架的现状，研究使用CAN通信技术的硬件充电系统和基于GIS技术的软件管理系统.该研究首先应用电子技术和单片机技术设计并改进充电指示板和电脑控制板，有效提高了矿灯的充电饱和度；然后开发了一套B/S结构的智能管理系统，首次将GIS技术引用到该系统，实现数据查询就像地图查询一样，具有鹰眼导航、点放大/缩小、专题图制作、双向查询等功能.

充电架；CAN；GIS；饱和度

矿灯是矿山必不可少的设备之一，矿灯充电架是煤矿用矿灯的充电设备[1].目前煤矿常用的充电架有两类，一类是比较简单的不带管理系统的充电架，另一类是较先进的智能型矿灯充电架.智能型矿灯充电架是采用先进的CPU控制、数字通讯、智能电源管理等技术，实现对煤矿灯房的全部矿灯进行实时监控和管理[2].使用计算机软件管理系统可对矿灯进行监测和管理，完成充电过程的数据采集、处理、输出等功能，可以随时了解矿灯的使用情况，对矿灯进行必要的保养和维护，使之保持良好的运行状态.

目前国内做充电架的生产厂家有几十家，基本上全部采用单片机和充电指示板连接进行数据的采集，充电的通断由充电指示板控制，这种连接方式需要的线路很多，接线太乱.软件大多采用C/S结构，由一台电脑采用总线结构连接多台充电架，对矿灯的监测只能由这一台电脑完成，操作人员也只能是在这一台电脑上操作.本研究综合分析充电架数据，及时采集充电架的动态数据，并结合数据库技术、GIS技术从时间和空间两个方面给出各充电位的现在运行状况，是充电架管理技术的一项开创性工作.

1 系统构成

系统包括硬件设计和软件开发两部分：硬件主要包括电脑控制板和充电指示板的设计与制作.电脑控制板采用单片机技术实现，可以实现按用户的要求扩展充电台位，并且使矿灯电池的充电饱和度达到95%以上，设有过充保护装置，防止电池因过充损坏，同时将矿灯充电的时间和状态上传到系统主机.充电指示板主要用来显示矿灯的充电状态，并且将状态信息上传至数据库，同时具有过充保护，欠充指示.数据通信采用目前速度较快的CAN卡技术[3，4].

软件开发主要是采用GIS技术[5～8]，开发一套基于B/S结构的矿灯智能管理系统.该系统界面友好，兼容性强，功能实用，可以实现各级领导、管理人员使用各种浏览器对矿灯充电架整体状态的查看，也可以扩大地图，查看某个充电位，该系统还包括矿工的考勤管理，能够根据矿灯的使用时间，计算矿工的工时，为工资管理留出接口.

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件整体结构

系统的硬件部分主要由矿灯充电架、充电指示板、CAN通信传输、电脑控制板、数据库服务器、WEB服务器、单位局域网、客户端浏览器等组成.本文主要研究其电气特性，主要是充电指示板、电脑控制板和通信传输，其中充电指示板主要用来显示矿灯的充电状态，有红绿两个指示灯，用来指示正在充电、已经充满、空挂三种状态，其中红灯亮表示正在充电，绿灯亮表示已经充满.充电指示板是每个充电位配置一个，主要具有矿灯充电状态的显示、充电控制功能，是矿灯充电架最主要的电路部分，系统在不开通主控程序的状态下，只要有充电指示板就可以简单实现给矿灯充电的功能.电脑控制板是每个充电架配置一个，由单片机实现信息的采集、处理、输出、通信等功能，并将采集到的信息发送到数据库服务器.电脑控制板可以实现按用户的要求扩展充电台位，并且使矿灯电池的充电饱和度达到95%以上，设有过充保护装置，防止电池因过充而损坏.

矿灯架与服务器的连接采用的是CAN通信技术，采用CAN通信传输是为了提高系统的传输效率，提高可靠性.系统通信由单片机控制CAN控制器实现，结合CAN收发器完成系统的初始化以及报文的接收和发送，系统通信模块存储在WEB服务器上，用C#语言编写，负责上位机与下位机之间的通信及数据的接收与发送.并将该程序放到程序池中，开机即启动.

系统主控程序主要存储在WEB服务器上，完成对信息的采集、分析、处理、显示、统计、报表输出等功能.数据文件可根据客户条件，存储在数据库服务器上，也可与WEB服务器合二为一.客户机与服务器的连接采用公司内部局域网，客户端使用本机上安装的浏览器即可以B/S方式访问服务器.系统的整体结构图如图1所示.

2.2 充电指示板电路的设计

充电指示板是固定在矿灯架充电位上的，每个充电位对应一个充电指示板，具有两个指示灯和四个接口，两个指示灯用来指示充电状态，四个接口分别接充电电源的正负极和充电电池的正负极.其电路框图如图2所示.

充电位电源接口是指充电指示板的输入接口，是220 V交流电压经过变压器后输出的6 V直流电压，由两根线分别接充电指示板的充电电源的正负极.充电电池的充电电流取样是一个电压输出，会随着电池饱和度的升高而降低，比较电路就是以此为依据进行比较的.

标准稳压电路主要由贴片431可控精密稳压源和两个贴片电阻102、913实现.431是一种并联稳压集成电路，在功能上相当于一个低温漂、可控稳压二极管，用两个电阻就可以实现输出电压的可调，可调范围从2.5 V到36 V.102和913就是两个贴片电阻，阻值分别是1 000 Ω和91 kΩ.431的工作原理是当输入电压增大时，输出电压增大导致了输出采样增大，内部电路通过调整使流过自身的电流增大，从而限流电阻的压降增大，因为输出电压等于输入电压减限流电阻压降，从而使得输出电压减小，实现稳压.

比较器电路是充电指示板中的指示控制电路，本系统采用双列贴片式封装的LM358集成运算放大器作为比较器.常用比较器有三种：简单比较器、迟滞比较器和窗口比较器.LM358是一种简单比较器，在电路中将矿灯的充电电流取样接到比较器的同相输入端，标准稳压电路得到的输出电压接比较器的反相输入端，比较器的输出端通过限流电阻接LED指示灯.

基于此种方法设计的充电指示板，采用的是恒压充电方式，在整个充电过程中，充电电压保持恒定，充电电流的大小随着电池状态的变化逐渐减小.充电过程接近最佳充电曲线，缺点是充电时间较长.

2.3 电脑控制板的设计

电脑控制板以8051系列单片机89C51为核心组成.它包括模数转换、地址选择开关、数据接口、CAN通信电路等.其中89C51作为中央处理单元，控制着数据的采集、处理、输出、通信等.它将矿灯充电架所有充电指示板的状态采集形成数据传输的数据包，通过CAN接口以数据通讯形式传至主机.主控计算机接有CAN卡，并通过一条两芯的电缆线接到充电架的数据采集板上.采集板上有一个六位DIP开关，用来区分充电架的物理地址，系统中每一个充电架配有一套数据采集板，每个数据采集板要具有一个唯一的地址，用来表示设备的地址，系统中设备地址不能重复.6位开关采用二进制编码最多可连接64台充电架.开关上标1的位置是最低位，标6的位置是最高位.将某一位开关扳向off端表示该位为1，扳向on端表示该位为0，比如将第一个充电架的开关1扳向off，既选择地址1，将第二个充电架的采集板的开关2扳到off端，既选择地址2，将第三个充电架的采集板的开关1、2都要扳到off端，二进制的11表示3，既选择地址3，依此类推.在整个系统中，充电架上采集板的地址开关不能相同，否则会引起冲突，出现故障.一般都是用对应开关表示的二进制数按照顺序进行标码.

表1 部分采集板地址及开关表

2.4 通信电路的设计

在本系统中，采用PHILIP公司生产的通信控制器SJA1000和82C250作为收发器的CAN总线接口电路.SJA1000是应用于汽车和一般工业环境的独立CAN总线控制器，具有完成CAN通信协议所要求的全部特性，可完成CAN总线的物理和数据链路层的所有功能.该芯片功耗低，速度快，工作电压仅为+5 V.具有高速和低速两种工作模式，理论上连接无数个节点设备.本系统基于电脑控制板上拨码开关的限制，规定最多连接64个充电架.

多台充电架采用级联方式，具体接法是从主控计算机的串口接一个232/CAN转换器，转换器的另一端通过两根电缆接在第一台充电架采集板的CANIN端、第一台充电架采集板的CANOUT接到第二台充电架采集板的CANIN端、第二台充电板的CANOUT接到第三台充电架的CANIN端，以此类推，直到最后一台充电架.如图3所示.

本系统中，SJA1000是一个总线接口芯片，通过它实现上位机与现场微处理器之间的数据通信.该电路的主要功能是通过CAN总线接收来自上位机的数据进行分析，然后下传给下位机的控制电路实现控制功能，当CAN总线接口接收到下位机的上传数据，SJA1000就产生一个中断，引发微处理器产生中断，通过中断处理程序接收帧信息，并通过CAN总线上传给上位机进行分析.AT89C51是CAN总线接口电路的核心，其承担CAN控制器的初始化、CAN的收发控制等任务.系统接口电路总体框图如图4所示.

CAN控制器与物理总线间通过82C250连接，可以提供对总线的发送和接收能力，并具有较好的抗干扰能力和保护总线的能力.82C250具有的电流限制电路，对总线具有保护功能.通过82C250与物理总线进行连接，可使总线支持100多个节点的挂接.

上位机通过CAN卡连接到CAN总线上，CAN卡遵循CAN2.0协议.CAN卡支持Windows驱动程序，包含可以被程序调用的动态链接函数库.上位机侧的通信程序，通过C#语言调用CAN卡自带的动态链接库的函数来实现与单片机之间的通信，接收和发送的数据以数组的形式存在，然后将数据写入到SQL SERVER数据库中.本系统的CAN总线通信采用有效数据为8个字节的短帧结构.上位机和设备之间的通信采用的是查询的方式.

3 矿灯智能管理系统的设计

软件开发主要是采用GIS技术，开发一套基于B/S结构的矿灯智能管理系统.该系统界面友好，兼容性强，功能实用.可以实现各级领导、管理人员使用各种浏览器对矿灯充电架整体状态的查看，也可以扩大地图，查看某个充电位，该系统还包括矿工的人员考勤管理，能够根据矿灯的使用时间，计算矿工的工时.为工资管理留出接口.

3.1 管理系统总体设计

本系统采用组件式二次开发模式，在基于Windows 操作系统平台上结合 GIS 组件SuperMap Objects 2008，实现GIS的基本功能.将SuperMap Objects的控件嵌入应用程序中，在VS2010中作为控件使用，系统的数据处理和GIS空间查询统计功能采用VS2010开发，各种GIS功能通过设置对象属性和调用对象的方法来实现.空间及属性数据库采用SuperMap SDX数据库引擎来构建.

3.2 管理系统功能设计

矿灯充电架智能管理系统是一个基于网络的可实现矿灯充电架信息化管理的系统，结合考察的实际情况，该系统的主要功能模块可实现系统参数设置、矿工信息管理、部门(或工段)管理、矿灯充电架管理、矿灯管理、矿工出勤管理、数据维护等功能.通过对系统功能需求的分析，将该系统划分为四个模块，15个子模块.如图6所示.

(1) 设置模块：面向整个系统，对系统参数、用户权限与密码等内容进行设置，实现了多用户和不同权限级别用户的访问.

(2) 灯架监控模块：对矿工和矿灯的基本信息进行添加、删除、修改操作，对矿灯充电架的状态进行实时监控并返回结果，可查询某矿灯架当前状态，查询目前矿灯的分布情况、统计剩余充电次数和矿灯状态.对损坏和达到标准使用次数的矿灯进行换灯操作.

(3) 考勤管理模块：对矿工的出勤情况和请假情况进行统计，对上下井统计和超时入井统计功能可以保证对于井下和井上矿工进行实时监测，尽量做到安全下井，如发现数据异常也可以及时做出反应，最大程度保证了矿工的人身和财产安全.

(4) 数据维护模块：面向管理系统，对系统中的数据进行备份和统计，便于煤矿及时发现硬件老化等问题；另外，提供清空数据库记录的功能，便于后台数据库的管理.

4 结 论

与目前国内充电技术相比，本研究改进了充电指示板电路结构，对充电饱和度进行了详细分析与优化，有效地提高了充电饱和度.本系统采用先进的地理信息系统(GIS)技术和组件式开发模式，结合矿灯智能充电架管理的专业知识与经验，建成技术先进、功能强大的矿灯智能充电架管理系统.系统的实现具有广阔的应用前景.

[1] 杜明利. 现代化矿井灯房智能充电架管理系统[J]. 自动化应用，2013(10):13-69.

[2] 王建勇. 投线仪锂电池充电管理电路设计[J]. 江苏科技信息,2014(14):34-37.

[3] 王欣峰,任淑萍.基于CAN总线的矿用多功能充电架的开发与研究[J]. 机械工程与自动化,2014(4):152-154.

[4] 吴战伟,翟亚芳.基于CAN总线的智能变电站变送器[J]. 仪表技术与传感器,2014(8):40-42.

[5] 朱宏权,刘学军. 基于GIS的可跨场景人群密度估计方法(英文)[J]. 中国通信，2014(11):80-89.

[6] 梁凡. 基于GIS的空间数据技术分析[J]. 电子技术与软件工程,2014(24):191.

[7] AMIN Z. An operation-based apporach to the communication of spatial data quality in GIS[M].Canada：Memorial University of Newfoundland,2009.

[8] 胡静波,陈永晶. 基于GIS数据转换在专题地图制作中的应用方法研究[J]. 测绘与空间地理信息,2014(10) :164-165.

责任编辑：龙顺潮

Research about Intelligent Miner's Lamp Charging System Based on GIS Technology

YANGYing-xin1*,ZHAOShu-zhong1,ZHANGShun-ling2

(1.Hebei United University,Tangshan,063009；2.Kailuan Zhaogezhuang Mine Labor Service Corporation, Tangshan 063101 China)

The performance of miner’s lamp can affect a mine’s production safety directly, and the informative level of miner-lamp’s management is also influential to the executive level’s decision. Based on the present situation of Kailuan Company’s lamp-charging rack, the current study will explore both hardware charging systems and software managing systems. The former employs CAN communication technology, and the latter is based on GIS technology.Firstly, making use of applied electronic technology and single chip technology, the study presents the designs of charging indicator panels and computer controlling boards. These two designs can increase miner-lamp’s charging saturation effectively. After that, an intellectual managing system based on B/S structure is developed, which introduces GIS technology to such systems for the first time. This intellectual managing system makes data enquiries like looking at a map, with functions such as Hawkeye navigation, point zoom in/out, thematic map production, bidirectional query, etc.

charging rack; CAN; GIS; saturation

2014-02-10

唐山市科技局自然科学基金项目(12110221b)

杨迎新(1972— ),女，河北 迁安人，副教授.E-mail:yingxinyang@163.com

TH822

A

1000-5900(2015)01-0092-05