一种基于51单片机智能矿灯的设计与实现

高明洋 张家鸣 沈杰

摘要：井下作业环境复杂且危险，瓦斯气体是威胁井下人员生命安全的关键因素。矿灯不仅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矿灯都具有瓦斯气体监测以及自动定位功能，但其在信号传输以及定位精度上还存有很多不足，以及不够智能化。文中设计了一种新型智能矿灯，不仅具有瓦斯监测报警功能，还运用4G移动网络实现了与地面移动端APP的通信连接，同时提高了GPS定位精度，为后期救援提供了有力保障，有效保障了井下人员的安全。

关键词：51单片机;智能矿灯;移动端APP;GPS定位

中图分类号：TP319 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）08-0239-02

在煤矿开采中，矿灯是井下工作人员的眼睛。矿灯的功效直接影響到矿工的安全和效率。随着科学技术的不断发展，煤矿业对矿灯的要求越来越高，矿灯的安全性和丰富的功能需求越来越多。传统的矿灯功能单一，只有一个照明功能。即便增加报警功能的矿灯也只有瓦斯监测和报警功能，无法真正保障矿工井下工人的安全。地面管理人员无法及时通过报警矿灯获取井下瓦斯状态，不稳定的通信信号也造成定位相当不准确。所以，利用物联网技术对矿灯进行革新设计具有重要的意义[1-4]。据此，系统以矿灯为硬件载体，设计一种智能矿灯，运用无线通信技术让其与地面移动端APP进行连接，完成地面与井下人员信息的实时监测。

1 智能矿灯设计方案

智能矿灯以单片机为核心处理器，具有基本的井下照明、瓦斯监测和报警，以及人员的GPS定位等多种功能使煤矿信息化和智能化水平得到提升。该智能矿灯运用单片机完成对瓦斯浓度的监测与超限报警，同时实现智能矿灯照明亮度调节，具有低能耗，高效率的特点。同时，运用移动无线通信与物联网技术完成井下工业环网系统构建，从而实现智能矿灯与地面人员APP端互联互通，完成语音通话，使矿灯具有移动和定位人员的功能。并且在瓦斯浓度过高以及采矿人员遇到危险时可以向地面监测APP进行实时反馈，以保证用户在发生危险的情况时能及时地获得帮助有效帮助，如图1。

2 核心硬件系统设计

2.1 照明模块设计与实现

照明系统是矿灯的基本功能模块，本模块在硬件照明上进行了小的改进。因为AT89C51单片机在处理器10接口上引入的电流驱动比较微弱。故控制矿灯工作时，就需要将微弱信号电流放大.从而满足照明需求。改造后的系统电路如图2所示。

2.2 瓦斯监测报警模块

瓦斯监测报警是保障井下人员生命安全的关键之一，正常情况下，在瓦斯浓度没有超过设定的报警值时，矿灯报警模块闪光灯以及蜂鸣器都不会出现异动。瓦斯浓度检测传感器会记录数值，实时传递到井上连接的APP端，显示井下瓦斯情况。若一旦出现瓦斯浓度过高，蜂鸣器就会立即发出警报，主照明的灯光就会不断闪烁，提醒井下工作者停止开采，采取安全措施撤离。如图3为瓦斯监测报警模块电路图。

2.3GPS定位模块

GPS定位模块也是系统中人员安全功能，采用GPS采用Zarlink公司的GP2010，该模块具有三级射频信号发送，可以及时采集智能矿灯的位置信息，然后反馈到处理器中。其外接直流电压为5V，其信号接收天线使用电压为3.2V，后置一个RF输入接口。在射频输出接口上，模拟中频信号为4.306MHz，工作电压为直流1.6V。基带处理器连接接口具有引脚14个，这些端口主要完成信号控制以及输出、输入处理。但因为矿洞十扰较强，GPS直接定位很容易出现误差，最小误差都在5米以上。如图4为GPS定位模块部分电路图。

3 软件系统设计

3.1 开发环境

系统安卓客户端软件采用Java语言进行开发，JDK版本为jdkl.8.0102。开发T具为Android studio。

3.2 软件功能及流程

软件包括用户注册和登录，用户注册并登录成功后，可以进行智能矿灯编号选择，完成与该矿灯的实时监测连通。为了保证数据传输的稳定以及实时信息的精准，采用的是一个账号监测一台智能矿灯，这样更稳定的进行语音通信等功能实现，其具体流程图如5所示。

在软件客户端设计中，需要完成服务器主控制器的设计。初始化服务器后，它就可以接收安卓设备发送的日志数据了。如果服务器接受不到数据，则一直等待。当接收到来白安卓设备的数据时，将对数据进行分析，然后确定接收到的数据是否是设备命令，如果接收到的数据是设备命令，则将工作模式设置为发送模式，将从安卓设备接收到的数据封装，打包后发送到分包商根据通信协议的格式完成设备命令的调度。如果没有，他将评估安卓设备是否需要操作数据库。如果是，服务器将更新数据库或返回用户所需的数据。如果它不是数据库的期望操作，它将返回等待安卓设备的数据。

4 系统测试

在系统测试中，首先对智能矿灯所在的环境进行实测。本文次测试项目对瓦斯浓度检测情况、GPS定位精度、语音通信稳定性、软件信号接收实时性等多方面进行测试。在测试过程中，对每一组测试项目进行了多达60多次测试，其中重点测试了语音安全通话，GPS定位精度以及瓦斯浓度检测报警模块等，测试基本情况如表1所示。

从表1可以知道，在多达60次测试过程里面，4G语音通信基本上信号稳定波动较下，测试结果正常;在对GPS模块测试时，地面误差可以忽略不计，在很小的范围中，相当精准，但到了井下环境测试时，却存有一定的误差，主要体现在井下环境复杂，信号传输衰弱较快，造成信息失真，经过反复测试后了，误差可以确定在1米左右，比一般的人员定位精度提高了2米。

5 结束语

本系统的设计采用了先进的移动通信技术以及瓦斯监测传感器，同时具备GPS精准定位，然后在地面上运用手机APP就能进行监测与管控，完成与井下工作人员的沟通协作，从而降低了井下人员工作人员安全发生事故。本系统具有高性能、低功耗、功能易扩展等优点。这种智能矿灯是一种物联网的综合应用，不仅增强了井下人员安全保障，还带动了煤矿行业信息化、智能化发展，对煤矿企业长远发展具有积极促进作用。

参考文献：

[1]张帝，董飞，高彬，等.基于嵌入式实时操作系统的智能矿灯设计[J].工矿自动化，2018，44（2）：23-27.

[2]吴静然.基于WiFi的智能矿灯设计及负载均衡切换机制研究[D].中国矿业大学，2014.

[3]黄一波.基于瓦斯检测与人员定位新型智能矿灯的设计与实现[D].西安电子科技大学，2016.

[4]赵舒畅，曹利波，任玉东.基于STM32智能矿灯系统设计[J].煤炭工程，2014，46（6）：25-27.

【通联编辑：朱宝贵】