基于无线通信的便携式矿灯优化设计与应用*

成志婵

(山西焦煤西山煤电斜沟矿,山西 吕梁 033602)

0 引 言

煤矿井下用矿灯作为矿工的眼睛，与井下工作人员的生命安全、工作效率息息相关。矿灯除井下照明功能外，还需能够保障矿工工作安全、生命安全。因此，结合当前先进通讯技术，设计具备瓦斯浓度检测、人员实时定位的智能型、便携式矿灯成为提升矿灯功能的重要目标。

由于现有煤矿井下用矿灯存在功能单一、稳定性差、无法与地面监控中心组成双向实时通信网络等问题，对矿工人员实时定位、井下安全生产带来许多不利和困难。而无线通信技术的应用，可以为井下瓦斯浓度、人员定位信息的无线传输带来便利，从而达到井下便携式矿灯数据实时、无线传输至地面监控中心的目的。

笔者基于无线通信技术提出了便携式智能矿灯优化设计方案，重点对矿井瓦斯浓度、环境温度、矿工移动速度的实时检测功能、矿工定位标签、井下物资标签智能识别功能、无线通信功能进行设计阐述，并通过系统测试验证了上述功能的适用性和正确性，达到矿灯智能化、信息化、多功能化的目的，对提升矿工井下作业安全系数和作业效率具有重要意义。

1 便携式矿灯总体设计及重点

便携式矿灯总体优化设计目标是在满足多光源照明功能的前提下，能够准确、实时采集巷道瓦斯浓度、环境温度、加速度、矿工定位标签、物资定位标签信息；能够与地面监控中心建立双向实时通信网络，实现矿灯本体数据的实时传输与共享；达到矿灯性能稳定可靠、实时性高、操作方便、适用性好、智能化水平高的目的。便携式矿灯优化设计的重点是瓦斯、温度、加速度等信息的实时采集、智能传输；矿工标签、物料标签的智能识别及传输；建立矿灯本体与矿井环网的无线通信链路。

2 便携式矿灯硬件设计

便携式矿灯硬件设计系统结构如图1所示，以三星公司的S3C6410 ARM11芯片为控制核心[1-2]，主要由电源管理模块、无线通信模块、WIFI无线通信模块、传感器模块等组成，工作原理为：由磷酸铁锂电池、隔爆兼本质安全型电源双电源供电，经电源管理模块后输出DC3.3 V为S3C6410核心CPU供电。S3C6410通过瓦斯浓度传感器实时检测巷道瓦斯浓度，通过温度传感器实时检测井下环境温度，通过加速度传感器检测井下人员，检测到的传感器数据以及定位标签信息经模数转换、逻辑处理后通过NRF24L01无线通信模块传送至矿井井下无线环网，同时在液晶显示屏上显示；用户控制该矿灯的控制指令可由WIFI模块接受，由S3C6410执行控制指令，如获取LOG、软件升级等。该便携式矿灯硬件系统还可完成电量检测、数据存储等功能。

图1 便携式矿灯硬件设计系统结构

2.1 核心控制模块

便携式矿灯核心控制模块以S3C6410 ARM11最小核心系统为基础，由扩展时钟电路、报警电路、指示灯电路、多路按键电路、液晶显示电路、Flash电路以及电量检测电路组成。S3C6410芯片以ARMv6为架构，支持ARM+Thumb指令、8级流水线、矢量中断接口、软件手动压栈以及7种工作模式，具备1.238D MIPS/MHz指令处理速度，功耗为0.4 Mw/MHz，拥有多组结构复杂的内核寄存器，满足便携式矿灯设计要求。

2.2 传感器模块

便携式矿灯系统需采集的传感器信息主要有瓦斯浓度、环境温度以及加速度信息。瓦斯浓度采集电路由惠斯顿电桥测量电路组成，当带催化剂的敏感元件受热后阻值增大，而不带催化剂的补偿元件阻值不变时，电桥测量电路不平衡，输出电压不为零。S3C6410芯片检测到经放大、调理后的瓦斯浓度电压信号后，计算实际瓦斯浓度值并进行阈值判断。加速度传感器的目的是检测矿工生命体征是否正常，由S3C6410芯片的GPIO口驱动。

2.3 电源管理模块

电源管理模块为矿灯提供电源并保证电源的稳定性，采用ASM1117稳压器为主控制器件，输入为DC5V，以反向二极管为电压保护，并联10uF两组电容过滤输入信号的高频、低频信号，实现输入信号的去耦合化，进而达到DC 5V～3.3V的电压转换[3-4]。ASM1117稳压器的输出电压为3.267～3.333 V，电压差最大为1.3 V，电流限制为900～1 500 mA，最大静态电流为10 mA，最小纹波抑制为60 dB。

2.4 无线通信模块

通信模块包括NRF24L01无线通信模块以及WIFI无线通信模块。NRF24L01无线通信模块用于采集矿工定位标签以及井下物资标签信息并通过矿井井下无线网络上传至井上集控中心服务器。NRF24L01无线通信模块与S3C6410 ARM11核心系统间采用SPI通信完成数据交互[5-7]。NRF24L01无线通信模块支持2.4GHz ISM频段，数据传输速率高达2 Mbps，有效通信距离可达25 m，支持接收、发射、待机、掉电四种工作模式，以达到降低功耗的目的。WIFI无线通信模块为RS232串口通信模式，与S3C6410芯片完成AT指令、抓取LOG以及软件升级等功能，具体选用的型号为WL1831MODGBMOCR。

3 便携式矿灯软件设计

3.1 软件总体设计

便携式矿灯软件设计基于Linux Ubuntu12.04操作系统实现，按照搭建并移植Linux操作系统、开发Linux驱动程序、开发GUI应用程序、整体软件测试的步骤实现[8]。便携式矿灯软件总体设计框架如图2所示，首先使用C语言编程矿灯控制驱动程序、通信(SPI、RS232)功能驱动程序；移植GUI应用程序用到的文件库、Qtopia以及SQLite，最后编写用户界面程序，实现矿灯数据、指令的传输和响应。

图2 便携式矿灯软件总体设计框架

3.2 主程序设计

便携式矿灯软件主程序设计流程如图3所示，首先完成S3C6410初始化，包括系统硬件初始化、操作系统初始化、时钟配置、GPIO口配置、RCC配置、看门狗配置以及任务创建等。创建的指令收发线程开始执行，接收并处理矿灯控制指令；创建的传感器数据处理线程开始执行，周期性地采集温度、加速度以及瓦斯浓度传感器数据，当传感器数据超限后触发故障报警线程执行；创建的数据显示线程开始执行，实时显示矿灯运行状态和故障信息；创建的无线数据收发线程开始执行，将矿灯运行数据和故障信息上传至地面监控中心和服务器。

图3 便携式矿灯主程序设计流程

3.3 传感器程序设计

传感器数据处理线程中分别设立三个子任务，用于处理瓦斯浓度、温度以及加速度数据，并按照优先级从高到底的顺序依次切换执行。任何一个子任务执行过程中若发现传感器数据异常，则触发报警装置报警并将报警信息传送至液晶显示器。

3.4 无线通信程序设计

无线通信程序设计包括S3C6410芯片、NRF24L01无线通信模块建立并维护SPI通信连接以及S3C6410芯片、WL1831MODGBMOCR WIFI模块建立并维护RS232串口通信连接两部分。SPI通信用于发送矿工定位标签、井下物资标签以及瓦斯浓度数据。布置在矿井内的无线接收器接收到该数据后再通过矿井环网将数据传送至地面监控中心。建立并维护SPI通信连接过程为：首先设置NRF24L01无线通信模块为Standby模式；其次调用Linux操作系统提供的接收函数建立SPI通信连接；然后在建立成功的连接中写入地址和数据；当数据发送成功后进行休眠模式；当数据发送失败后进行二进制防碰撞算法控制，直至发送成功。引入二进制防碰撞算法机制的原因为：当携带矿工定位标签的多个数据帧同时出现在同一个无线接收分站时存在竞争机制，引入二进制防碰撞算法机制[9-10]，即二叉树二进制搜索算法可重新定义数据帧的优先级，进而重新确认在同一分站内的数据帧的发送顺序。S3C6410芯片与WIFI模块间采用RS232串口通信完成AT指令交互，Linux操作系统提供了完备的RS232串口通信接口函数以及通信建立、维护示例。

4 系统测试

4.1 测试环境

便携式矿灯硬件测试条件为基于ARM11处理器的终端设备、NRF24L01无线通信模块、WL1831MODGBMOCR WIF无线通信模块；软件测试条件为ubantu12.04操作系统、arm-linux-gcc-4.4.1编译工具、Secure CRT串口调试工具；操作系统为Linux3.0.1。在实验室搭建便携式矿灯测试环境，在保证硬线连接正常、通信正常的情况下，接通电源，使系统运行，并使用Secure CRT工具监测便携式矿灯运行状态。图4所示为优化后的便携式矿灯控制电路，图5所示为矿灯实际测试过程图。

图4 矿灯控制电路 图5 矿灯实际测试过程

4.2 测试数据分析

对不同体积分数瓦斯气体进行测试，并与矿灯实际检测瓦斯体积分数对比，计算误差率，统计数据见表1所列，误差率在0.01%～0.12%之间，满足系统误差要求。

表1 实验室测试不同体积分数瓦斯检测数据

模拟矿工不同位置数据，进行矿灯人员定位测试，利用矿灯读取的矿工人员定位标签信息以及读取时间计算检测到的矿灯人员位置信息，与实际位置数据做对比并计算误差率，统计数据见表2所列，最大误差率为0.026%，满足系统误差要求。

表2 实验室测试矿灯人员定位检测数据

4.3 测试结果

便携式矿灯的供电电池为磷酸铁锂，供电电源为3.7 V、10 A·h。经实际测试发现，矿灯的平均输出电流为500 mA，可保证矿灯正常使用20 h以上；可实现多光源照明以及切换功能；瓦斯浓度、环境温度、加速度传感器数据传输通道正常，数据采集功能正常；可准确、实时采集矿工定位标签、物资标签并将数据上传至地面监控中心。

5 结 论

以矿井用便携式矿灯为研究对象，重点介绍了硬件、软件设计思路和方法，基于Linux操作系统，融合ARM控制技术、传感器技术以及无线通信技术对原便携式矿灯系统进行优化并完成系统测试。

(1) 优化后的便携式矿灯系统，在满足多光源照明和切换的前提下，实现了瓦斯浓度、矿灯标签等重要信息的采集和上传，与地面监控中心建立了可靠、安全的双向实时通信通道。

(2) 经实验室系统测试，优化后的矿灯系统满足设计要求，提高了矿灯的智能化水平，有助于提升矿工井下作业安全系数和作业效率。