基于ZigBee的矿用照明灯具寿命提示系统设计

徐力军

余姚市科技创新服务中心，浙江 宁波 315400

0 引言

2020年，全国煤矿发生事故123起，死亡228人，同比分别下降27.6%和27.8%。尽管煤矿安全生产工作取得了明显成效，但是煤矿安全形势依然严峻，而照明设备安全是保障矿井安全的重要部分之一，需要予以重视。大量学者进行了矿井照明安全性及稳定性的研究。高云广[1]提出了基于PLC的煤矿井下照明保护系统，增加了保护系统的可靠性；原红飞[2]提出了基于物联网的矿井智慧照明系统，选择合理的照明方式，有效节约了能源，提高了能源利用率；李雪梅[3]设计了矿井应急无源LED照明系统，在矿井下采用绿色照明能消除照明产品对环境造成的不利影响，提高生产的安全性。文章提出基于ZigBee的矿用照明灯具寿命提示系统，在每个照明灯具上设置一个寿命计时器，灯具一旦通电亮起，寿命计时器即自动开始计时。当工作人员手持巡检器进行巡检时，各寿命计时器将逐个接入ZigBee网络，巡检器主动采集各寿命计时器的实时寿命计时值，并与设置的报警寿命值进行比较，当两者的差值小于安全值，则控制相应寿命计时器的指示灯闪烁，以此提醒工作人员及时更换灯具，从而保障生产作业安全。

1 系统整体构成

系统整体构成如图1所示，包括至少1个ZigBee终端节点、1个ZigBee协调器。给矿井现场的每个照明灯具设置一个寿命计时器，将其作为ZigBee终端节点，工作人员巡检用的手持巡检器作为ZigBee协调器，工作人员可操作触摸屏，根据实际需要设置报警寿命值及安全值。当工作人员携带的巡检器与照明灯具的距离达到建立ZigBee通信的有效距离范围内时，终端节点逐个自动接入ZigBee网络，巡检器主动采集各终端节点计得的实时寿命计时值，并与设定的报警寿命值比较，一旦两者之间的差值小于安全值，则由巡检器发送命令给相应的终端节点，终端节点控制其连接的指示灯闪烁，以此提醒工作人员，及时更换灯具。

图1 系统整体构成图

2 硬件设计

系统硬件由寿命计时器、巡检器两部分组成。

2.1 寿命计时器

寿命计时器硬件组成如图2所示，主要包括电源电路、无线收发电路、MCU、驱动电路、LED灯具、E2PROM及指示灯。

图2 寿命计时器硬件组成图

寿命计时器设置在照明灯具上，从照明灯具中取电，经电源电路处理后，得到合适的电压、电流等级，给各电路部件供电。MCU选用CC2530单片机，其内置8051内核和RF收发器，能以极低的功耗迅速建立稳定的无线传感网络。MCU通过驱动电路控制LED灯具提供照明，一旦LED灯具通电亮起，MCU即自动开始计时，得到的计时值即为该灯具的实时寿命值，将该值按设定的周期写入E2PROM中，可实现掉电不丢失，且该值不断刷新，下一次重新通电会累加计时。当接收到巡检器发来的采集命令时，由寿命计时器将该值上传[4-5]。

2.2 巡检器

巡检器硬件组成如图3所示，包括电源电路、MCU、无线收发电路、程序下载电路、E2PROM及触摸屏。

图3 巡检器硬件组成图

巡检器为手持协调器设备，工作人员可操作触摸屏，根据实际需要设置报警寿命值及安全值，并写入E2PROM中，下次开机不需要重新设置，程序下载电路用于下载默认设置。

寿命计时器与巡检器基于ZigBee网络进行双向无线通信。一方面，寿命计时器可接收巡检器发送过来的采集命令，将实时寿命值上传给巡检器；另一方面，巡检器将采集到的寿命计时值与设置的报警寿命值进行比较，若判断为满足报警条件，则发送报警命令给相应的寿命计时器，寿命计时器控制其连接的指示灯闪烁。

3 软件设计

3.1 终端节点软件设计

终端节点主要完成灯具寿命计时、报警提示两个功能，其工作流程如图4所示。

图4 直流智能调光系统拓扑图

图4 终端节点工作流程图

终端节点上电进行初始化后，LED灯具亮起，自动开启计时，得到实时寿命值，并周期性写入E2PROM保存。终端节点检测范围内是否存在指定的ZigBee网络，当巡检人员手持巡检器，进入有效信号范围内时，终端发送入网请求，请求加入该ZigBee网络。入网成功后，终端节点根据协调器发来的采集命令，将计得的实时寿命值回复给将协调器；而当终端节点接收到协调器反馈过来的报警命令时，则控制其指示灯闪烁[6-7]。

3.2 ZigBee协调器软件设计

ZigBee协调器作为全功能设备，具有建立网络、维护网络的稳定性、管理终端节点入网和退网、接收来自终端节点的数据以及下发控制指令等功能[8-10]，其工作流程如图5所示。

图5 ZigBee协调器工作流程图

ZigBee协调器完成初始化工作后，工作人员可操作触摸屏，进行报警寿命值、安全值等参数的设置，并写入E2PROM中，若无需重新设置参数，则维持默认设置值。巡检人员手持协调器进行巡检，人员移动到哪里，则在哪里建立一定信号范围的ZigBee网络，并接纳该范围内的终端节点入网。终端节点逐个入网后，在触摸屏界面上展示，同时协调器主动采集各终端节点的实时寿命计时值，并与设定的报警寿命值比较，一旦两者之间差值小于安全值，则下发报警命令给对应的终端节点，该终端节点的指示灯闪烁，提醒巡检人员，应及时更换LED灯具。

4 结束语

文章基于ZigBee无线自组网通信技术，将照明灯具上的寿命计时器作为终端节点，巡检人员手持的巡检器作为协调器，工作人员移动到哪里，则ZigBee网络建立到哪里，信号范围内的终端节点逐个接入网络，协调器主动采集各终端的实时寿命计时值，并进行比较和判断，从而自动发出更换照明灯具的提示。该系统可有效保证矿井照明长亮，解决了矿井环境中因灯具寿命耗尽无法及时更换导致的安全问题，从而保护井内生产安全和人员生命安全。