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無(wú)線通信的便攜式礦燈優(yōu)化設(shè)計(jì)淺析

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無(wú)線通信的便攜式礦燈優(yōu)化設(shè)計(jì)淺析

摘要:針對(duì)礦用傳統(tǒng)礦燈存在的功能單一、穩(wěn)定性差、無(wú)法與地面監(jiān)控中心組成雙向?qū)崟r(shí)通信網(wǎng)絡(luò)等問(wèn)題,提出基于無(wú)線通信便攜式礦燈優(yōu)化方案。重點(diǎn)介紹了以S3C6410ARM11芯片為核心的便攜式礦燈硬件、軟件設(shè)計(jì)方案,在核心控制模塊滿足礦燈多光源照明功能的基礎(chǔ)上,傳感器模塊周期性地采集巷道瓦斯、溫度、加速度、礦工標(biāo)簽、物資標(biāo)簽信息,由無(wú)線通信模塊發(fā)送至井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)并與地面監(jiān)控中心組成雙向?qū)崟r(shí)通信網(wǎng)絡(luò),最后完成系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,優(yōu)化后的礦燈系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求,提高了礦燈的智能化水平,有助于提升礦工井下作業(yè)安全系數(shù)和作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞:ARM11;無(wú)線通信;Linux操作系統(tǒng);SPI;RS232;多線程

0引言

煤礦井下用礦燈作為礦工的眼睛,與井下工作人員的生命安全、工作效率息息相關(guān)。礦燈除井下照明功能外,還需能夠保障礦工工作安全、生命安全。因此,結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)通訊技術(shù),設(shè)計(jì)具備瓦斯?jié)舛葯z測(cè)、人員實(shí)時(shí)定位的智能型、便攜式礦燈成為提升礦燈功能的重要目標(biāo)。由于現(xiàn)有煤礦井下用礦燈存在功能單一、穩(wěn)定性差、無(wú)法與地面監(jiān)控中心組成雙向?qū)崟r(shí)通信網(wǎng)絡(luò)等問(wèn)題,對(duì)礦工人員實(shí)時(shí)定位、井下安全生產(chǎn)帶來(lái)許多不利和困難。而無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用,可以為井下瓦斯?jié)舛?、人員定位信息的無(wú)線傳輸帶來(lái)便利,從而達(dá)到井下便攜式礦燈數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、無(wú)線傳輸至地面監(jiān)控中心的目的。筆者基于無(wú)線通信技術(shù)提出了便攜式智能礦燈優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,重點(diǎn)對(duì)礦井瓦斯?jié)舛取h(huán)境溫度、礦工移動(dòng)速度的實(shí)時(shí)檢測(cè)功能、礦工定位標(biāo)簽、井下物資標(biāo)簽智能識(shí)別功能、無(wú)線通信功能進(jìn)行設(shè)計(jì)闡述,并通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證了上述功能的適用性和正確性,達(dá)到礦燈智能化、信息化、多功能化的目的,對(duì)提升礦工井下作業(yè)安全系數(shù)和作業(yè)效率具有重要意義。

1便攜式礦燈總體設(shè)計(jì)及重點(diǎn)

便攜式礦燈總體優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿足多光源照明功能的前提下,能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)采集巷道瓦斯?jié)舛?、環(huán)境溫度、加速度、礦工定位標(biāo)簽、物資定位標(biāo)簽信息;能夠與地面監(jiān)控中心建立雙向?qū)崟r(shí)通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)礦燈本體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與共享;達(dá)到礦燈性能穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性高、操作方便、適用性好、智能化水平高的目的。便攜式礦燈優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是瓦斯、溫度、加速度等信息的實(shí)時(shí)采集、智能傳輸;礦工標(biāo)簽、物料標(biāo)簽的智能識(shí)別及傳輸;建立礦燈本體與礦井環(huán)網(wǎng)的無(wú)線通信鏈路。

2便攜式礦燈硬件設(shè)計(jì)

便攜式礦燈硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,以三星公司的S3C6410ARM11芯片為控制核心[1-2],主要由電源管理模塊、無(wú)線通信模塊、WIFI無(wú)線通信模塊、傳感器模塊等組成,工作原理為:由磷酸鐵鋰電池、隔爆兼本質(zhì)安全型電源雙電源供電,經(jīng)電源管理模塊后輸出DC3.3V為S3C6410核心CPU供電。S3C6410通過(guò)瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲗?shí)時(shí)檢測(cè)巷道瓦斯?jié)舛?,通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)井下環(huán)境溫度,通過(guò)加速度傳感器檢測(cè)井下人員,檢測(cè)到的傳感器數(shù)據(jù)以及定位標(biāo)簽信息經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、邏輯處理后通過(guò)NRF24L01無(wú)線通信模塊傳送至礦井井下無(wú)線環(huán)網(wǎng),同時(shí)在液晶顯示屏上顯示;用戶控制該礦燈的控制指令可由WIFI模塊接受,由S3C6410執(zhí)行控制指令,如獲取LOG、軟件升級(jí)等。該便攜式礦燈硬件系統(tǒng)還可完成電量檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

2.1核心控制模塊

便攜式礦燈核心控制模塊以S3C6410ARM11最小核心系統(tǒng)為基礎(chǔ),由擴(kuò)展時(shí)鐘電路、報(bào)警電路、指示燈電路、多路按鍵電路、液晶顯示電路、Flash電路以及電量檢測(cè)電路組成。S3C6410芯片以ARMv6為架構(gòu),支持ARM+Thumb指令、8級(jí)流水線、矢量中斷接口、軟件手動(dòng)壓棧以及7種工作模式,具備1.238DMIPS/MHz指令處理速度,功耗為0.4Mw/MHz,擁有多組結(jié)構(gòu)復(fù)雜的內(nèi)核寄存器,滿足便攜式礦燈設(shè)計(jì)要求。

2.2傳感器模塊

便攜式礦燈系統(tǒng)需采集的傳感器信息主要有瓦斯?jié)舛取h(huán)境溫度以及加速度信息。瓦斯?jié)舛炔杉娐酚苫菟诡D電橋測(cè)量電路組成,當(dāng)帶催化劑的敏感元件受熱后阻值增大,而不帶催化劑的補(bǔ)償元件阻值不變時(shí),電橋測(cè)量電路不平衡,輸出電壓不為零。S3C6410芯片檢測(cè)到經(jīng)放大、調(diào)理后的瓦斯?jié)舛入妷盒盘?hào)后,計(jì)算實(shí)際瓦斯?jié)舛戎挡⑦M(jìn)行閾值判斷。加速度傳感器的目的是檢測(cè)礦工生命體征是否正常,由S3C6410芯片的GPIO口驅(qū)動(dòng)。

2.3電源管理模塊

電源管理模塊為礦燈提供電源并保證電源的穩(wěn)定性,采用ASM1117穩(wěn)壓器為主控制器件,輸入為DC5V,以反向二極管為電壓保護(hù),并聯(lián)10uF兩組電容過(guò)濾輸入信號(hào)的高頻、低頻信號(hào),實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的去耦合化,進(jìn)而達(dá)到DC5V~3.3V的電壓轉(zhuǎn)換[3-4]。ASM1117穩(wěn)壓器的輸出電壓為3.267~3.333V,電壓差最大為1.3V,電流限制為900~1500mA,最大靜態(tài)電流為10mA,最小紋波抑制為60dB。

2.4無(wú)線通信模塊

通信模塊包括NRF24L01無(wú)線通信模塊以及WIFI無(wú)線通信模塊。NRF24L01無(wú)線通信模塊用于采集礦工定位標(biāo)簽以及井下物資標(biāo)簽信息并通過(guò)礦井井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳至井上集控中心服務(wù)器。NRF24L01無(wú)線通信模塊與S3C6410ARM11核心系統(tǒng)間采用SPI通信完成數(shù)據(jù)交互[5-7]。NRF24L01無(wú)線通信模塊支持2.4GHzISM頻段,數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)2Mbps,有效通信距離可達(dá)25m,支持接收、發(fā)射、待機(jī)、掉電四種工作模式,以達(dá)到降低功耗的目的。WIFI無(wú)線通信模塊為RS232串口通信模式,與S3C6410芯片完成AT指令、抓取LOG以及軟件升級(jí)等功能,具體選用的型號(hào)為WL1831MODGBMOCR。

3便攜式礦燈軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件總體設(shè)計(jì)

便攜式礦燈軟件設(shè)計(jì)基于LinuxUbuntu12.04操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),按照搭建并移植Linux操作系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)Linux驅(qū)動(dòng)程序、開(kāi)發(fā)GUI應(yīng)用程序、整體軟件測(cè)試的步驟實(shí)現(xiàn)[8]。便攜式礦燈軟件總體設(shè)計(jì)框架如圖2所示,首先使用C語(yǔ)言編程礦燈控制驅(qū)動(dòng)程序、通信(SPI、RS232)功能驅(qū)動(dòng)程序;移植GUI應(yīng)用程序用到的文件庫(kù)、Qtopia以及SQLite,最后編寫用戶界面程序,實(shí)現(xiàn)礦燈數(shù)據(jù)、指令的傳輸和響應(yīng)。

3.2主程序設(shè)計(jì)

便攜式礦燈軟件主程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示,首先完成S3C6410初始化,包括系統(tǒng)硬件初始化、操作系統(tǒng)初始化、時(shí)鐘配置、GPIO口配置、RCC配置、看門狗配置以及任務(wù)創(chuàng)建等。創(chuàng)建的指令收發(fā)線程開(kāi)始執(zhí)行,接收并處理礦燈控制指令;創(chuàng)建的傳感器數(shù)據(jù)處理線程開(kāi)始執(zhí)行,周期性地采集溫度、加速度以及瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù),當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)超限后觸發(fā)故障報(bào)警線程執(zhí)行;創(chuàng)建的數(shù)據(jù)顯示線程開(kāi)始執(zhí)行,實(shí)時(shí)顯示礦燈運(yùn)行狀態(tài)和故障信息;創(chuàng)建的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)線程開(kāi)始執(zhí)行,將礦燈運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障信息上傳至地面監(jiān)控中心和服務(wù)器。

3.3傳感器程序設(shè)計(jì)

傳感器數(shù)據(jù)處理線程中分別設(shè)立三個(gè)子任務(wù),用于處理瓦斯?jié)舛?、溫度以及加速度?shù)據(jù),并按照優(yōu)先級(jí)從高到底的順序依次切換執(zhí)行。任何一個(gè)子任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)異常,則觸發(fā)報(bào)警裝置報(bào)警并將報(bào)警信息傳送至液晶顯示器。

3.4無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)

無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)包括S3C6410芯片、NRF24L01無(wú)線通信模塊建立并維護(hù)SPI通信連接以及S3C6410芯片、WL1831MODGBMOCRWIFI模塊建立并維護(hù)RS232串口通信連接兩部分。SPI通信用于發(fā)送礦工定位標(biāo)簽、井下物資標(biāo)簽以及瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)。布置在礦井內(nèi)的無(wú)線接收器接收到該數(shù)據(jù)后再通過(guò)礦井環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至地面監(jiān)控中心。建立并維護(hù)SPI通信連接過(guò)程為:首先設(shè)置NRF24L01無(wú)線通信模塊為Standby模式;其次調(diào)用Linux操作系統(tǒng)提供的接收函數(shù)建立SPI通信連接;然后在建立成功的連接中寫入地址和數(shù)據(jù);當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送成功后進(jìn)行休眠模式;當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送失敗后進(jìn)行二進(jìn)制防碰撞算法控制,直至發(fā)送成功。引入二進(jìn)制防碰撞算法機(jī)制的原因?yàn)?當(dāng)攜帶礦工定位標(biāo)簽的多個(gè)數(shù)據(jù)幀同時(shí)出現(xiàn)在同一個(gè)無(wú)線接收分站時(shí)存在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,引入二進(jìn)制防碰撞算法機(jī)制[9-10],即二叉樹(shù)二進(jìn)制搜索算法可重新定義數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí),進(jìn)而重新確認(rèn)在同一分站內(nèi)的數(shù)據(jù)幀的發(fā)送順序。S3C6410芯片與WIFI模塊間采用RS232串口通信完成AT指令交互,Linux操作系統(tǒng)提供了完備的RS232串口通信接口函數(shù)以及通信建立、維護(hù)示例。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1測(cè)試環(huán)境

便攜式礦燈硬件測(cè)試條件為基于ARM11處理器的終端設(shè)備、NRF24L01無(wú)線通信模塊、WL1831MODGBMOCRWIF無(wú)線通信模塊;軟件測(cè)試條件為ubantu12.04操作系統(tǒng)、arm-linux-gcc-4.4.1編譯工具、SecureCRT串口調(diào)試工具;操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux3.0.1。在實(shí)驗(yàn)室搭建便攜式礦燈測(cè)試環(huán)境,在保證硬線連接正常、通信正常的情況下,接通電源,使系統(tǒng)運(yùn)行,并使用SecureCRT工具監(jiān)測(cè)便攜式礦燈運(yùn)行狀態(tài)。圖4所示為優(yōu)化后的便攜式礦燈控制電路,圖5所示為礦燈實(shí)際測(cè)試過(guò)程圖。

4.2測(cè)試數(shù)據(jù)分析

對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)瓦斯氣體進(jìn)行測(cè)試,并與礦燈實(shí)際檢測(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)比,計(jì)算誤差率,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列,誤差率在0.01%~0.12%之間,滿足系統(tǒng)誤差要求。模擬礦工不同位置數(shù)據(jù),進(jìn)行礦燈人員定位測(cè)試,利用礦燈讀取的礦工人員定位標(biāo)簽信息以及讀取時(shí)間計(jì)算檢測(cè)到的礦燈人員位置信息,與實(shí)際位置數(shù)據(jù)做對(duì)比并計(jì)算誤差率,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列,最大誤差率為0.026%,滿足系統(tǒng)誤差要求。

4.3測(cè)試結(jié)果

便攜式礦燈的供電電池為磷酸鐵鋰,供電電源為3.7V、10A·h。經(jīng)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn),礦燈的平均輸出電流為500mA,可保證礦燈正常使用20h以上;可實(shí)現(xiàn)多光源照明以及切換功能;瓦斯?jié)舛?、環(huán)境溫度、加速度傳感器數(shù)據(jù)傳輸通道正常,數(shù)據(jù)采集功能正常;可準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)采集礦工定位標(biāo)簽、物資標(biāo)簽并將數(shù)據(jù)上傳至地面監(jiān)控中心。

5結(jié)論

以礦井用便攜式礦燈為研究對(duì)象,重點(diǎn)介紹了硬件、軟件設(shè)計(jì)思路和方法,基于Linux操作系統(tǒng),融合ARM控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)對(duì)原便攜式礦燈系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并完成系統(tǒng)測(cè)試。(1)優(yōu)化后的便攜式礦燈系統(tǒng),在滿足多光源照明和切換的前提下,實(shí)現(xiàn)了瓦斯?jié)舛取⒌V燈標(biāo)簽等重要信息的采集和上傳,與地面監(jiān)控中心建立了可靠、安全的雙向?qū)崟r(shí)通信通道。(2)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)測(cè)試,優(yōu)化后的礦燈系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求,提高了礦燈的智能化水平,有助于提升礦工井下作業(yè)安全系數(shù)和作業(yè)效率。

作者:成志嬋 單位:山西焦煤西山煤電斜溝礦