李 闖，李 斌

(沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110159)

目前，采礦業(yè)中，皮帶運(yùn)輸機(jī)依舊起著不可忽視的作用，從工作面到裝車站，煤的運(yùn)輸幾乎全由各類運(yùn)輸機(jī)傳送，因此，對皮帶運(yùn)輸機(jī)控制人員的管理在安全生產(chǎn)中占有重要地位。鑒于礦井環(huán)境的特殊性，低功耗和信號傳輸一直都是研究的重點(diǎn)。目前我國煤礦企業(yè)安裝的礦井人員管理系統(tǒng)多是基于 RFID 技術(shù)［1］和紅外傳感器技術(shù)［2］，傳輸距離近，ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度、區(qū)域定位的雙向無線通信技術(shù)，工作在2.4 GHz ISM免費(fèi)頻段，擁有可靠、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全、高保密性等特點(diǎn)，適用于自動控制、傳感、監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域［3］。而本設(shè)計(jì)采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)對皮帶運(yùn)輸機(jī)控制人員的監(jiān)控，優(yōu)化系統(tǒng)傳輸性能的同時也降低了系統(tǒng)的功耗。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)井下部分以無線通信為主，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和員工工作內(nèi)容的不同采用ZigBee技術(shù)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［4］，然后通過光纖通信等手段將井下網(wǎng)絡(luò)中各個控制器節(jié)點(diǎn)的狀況根據(jù)要求傳輸?shù)骄仙衔粰C(jī)的工作界面顯示，便于更好地實(shí)施監(jiān)控管理。人員的位置管理是通過設(shè)置在每個巷道的分岔處的人員記錄系統(tǒng)進(jìn)行管理。整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 皮帶運(yùn)輸機(jī)控制人員的監(jiān)控系統(tǒng)

皮帶運(yùn)輸機(jī)控制人員的監(jiān)控系統(tǒng)主要由無線設(shè)備控制器和便攜標(biāo)識設(shè)備組成。工作原理:無線設(shè)備控制器以一定的時間間隔不斷向其覆蓋區(qū)域內(nèi)發(fā)送詢問信息以進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，當(dāng)人員進(jìn)入該區(qū)域時，佩戴的便攜標(biāo)識設(shè)備檢測詢問信號，如果匹配(皮帶機(jī)操作人員)，對控制器作出響應(yīng)，否則不響應(yīng)。保證控制設(shè)備人員不在現(xiàn)場時，設(shè)備無法啟動，系統(tǒng)可以記錄操作人員上崗離崗時間，操作設(shè)備時間等信息。并存儲或上傳到井上調(diào)度室。

2.1 無線設(shè)備控制器總體架構(gòu)

無線設(shè)備控制器框圖如圖2所示。

圖2 無線控制器

由TI的CC2530無線通信模塊、時鐘存儲模塊FM31256、LCD1602及電源等部分組成。

2.2 存儲模塊設(shè)計(jì)

在礦用無線設(shè)備控制器中，存儲部分采用帶RTC的I2C總線鐵電存儲器［5］芯片F(xiàn)M3116，與其它非易失性存儲器比較，它具有讀/寫速度快、功耗低、擦寫使用壽命長、讀/寫的無限性等優(yōu)點(diǎn)。該部分必須以準(zhǔn)確的實(shí)時時鐘作為時段劃分根據(jù)，用來實(shí)現(xiàn)記錄操作人員上崗離崗時間、操作設(shè)備時間等信息。因此，此模塊具有實(shí)時時鐘功能和存儲功能。實(shí)時時鐘功能將在LCD1602得以實(shí)時顯示。該模塊與射頻芯片CC2530的連接圖如圖3所示。

圖3 存儲模塊電路圖

2.3 通信及顯示模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于ZigBee無線傳輸技術(shù)，因此對于無線傳輸部分，選用目前比較常用的CC2530芯片，它的信號靈敏度為-96dbm，且在視距情況下通信距離為300m左右，因此可以保證傳輸距離，同時，它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)［6］。由于 CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進(jìn)一步確保了低能源消耗［7］。而RFID技術(shù)和紅外傳感器技術(shù)傳輸距離相比之下較近，所以從該角度看，ZigBee無線技術(shù)也更有優(yōu)勢。

無線通信處理數(shù)據(jù)后，可通過輸出顯示模塊的通信過程和結(jié)果。該設(shè)計(jì)主要采用LCD和繼電器外接狀態(tài)燈二者配合進(jìn)行顯示。對于繼電器輸出模塊的設(shè)計(jì)，共三組繼電器，外接紅、黃、綠狀態(tài)顯示燈。當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)控制人員工作狀態(tài)改變時，經(jīng)過無線通信，繼電器輸出模塊立即作出相應(yīng)的狀態(tài)變化，以便控制器很好地掌握井下該操作人員的工作狀態(tài)。同時，通過紅綠燈不同的顯示情況，使得檢修人員或其他工作人員可以判定此時設(shè)備是否可以開啟、檢修和清潔周圍等工作。該模塊上的黃燈，出現(xiàn)故障時才顯示，起到警報(bào)作用。射頻通信和顯示模塊的電路圖如圖4所示。

圖4 射頻通信和顯示模塊電路圖

3 便攜標(biāo)識設(shè)備設(shè)計(jì)

對于便攜標(biāo)識設(shè)備的供電方式，由于是終端設(shè)備，從方便攜帶和降低功耗等方面考慮，采用兩節(jié)1.5V電池供電，且將便攜標(biāo)識設(shè)備的模塊做到和小電池盒一樣的尺寸。而對于總體硬件設(shè)計(jì)方面，與發(fā)送設(shè)備相似，無線傳輸部分同樣采用CC2530模塊，與礦用無線設(shè)備控制器部分進(jìn)行通信。便攜標(biāo)識設(shè)備框圖如圖5所示。

便攜標(biāo)識設(shè)備上有四個按鍵，實(shí)現(xiàn)功能如下:在礦用無線設(shè)備控制器的覆蓋區(qū)域內(nèi)，便攜標(biāo)識設(shè)備與無線控制器正常進(jìn)行通信時，(1)當(dāng)S0按下時，表示人離開，繼電器置0，紅綠燈都不亮;(2)當(dāng)S1按下時，表示人在，繼電器置1，綠燈亮，綠燈置1，紅燈不亮;(3)當(dāng)S2按下時，表示人即將離開，繼電器置1，紅綠燈交錯閃爍半分鐘;(4)當(dāng)S3按下時，為鎖定狀態(tài)，表示管理員暫時離開，繼電器置1，紅綠燈都亮。上述四種情況:對于井上管理人員來說，可以通過上位機(jī)界面顯示的狀況，實(shí)時了解持便攜標(biāo)識設(shè)備的皮帶運(yùn)輸機(jī)控制人員工作狀況，以便于考勤考勤管理;對于檢修人員和其他工作人員來說，通過控制器顯示的狀態(tài)可以很清楚地了解當(dāng)下持便攜標(biāo)識設(shè)備的皮帶運(yùn)輸機(jī)控制人員管理設(shè)備的控制狀態(tài)，例如控制狀態(tài)為鎖定皮帶運(yùn)輸機(jī)，則其它人員無法將其開啟，這樣也可以很好地減少誤操作帶來的事故。

圖5 手持設(shè)備

4 軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)由通信雙方的礦用無線設(shè)備控制器和便攜標(biāo)識設(shè)備組成，圖6為系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要流程圖。手持設(shè)備上共四個按鍵，每個按鍵對應(yīng)通信的狀態(tài)不同，對于與之通信的無線設(shè)備控制器，根據(jù)手持設(shè)備情況必須有按鍵判斷的功能，然后二者進(jìn)入相應(yīng)按鍵下的綁定請求，再實(shí)現(xiàn)具體的通信。中斷部分的軟件設(shè)計(jì)流程以按鍵S1為例，具體如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)主流程圖

圖7 按鍵S1的中斷流程圖

5 測試結(jié)果

進(jìn)行整機(jī)通信測試。測試時，在一般建筑物環(huán)境下，將發(fā)射功率設(shè)置為HAL_RF_TXPOWER_16_DBM，即16DBM，信道設(shè)置為 RF_CHANNEL 25，發(fā)射功率和信道都可以按照技術(shù)手冊再通過程序配置。測試結(jié)果具體分為以下幾種狀況:當(dāng)收發(fā)設(shè)備的天線均為同種情況時，即均勻垂直極化的形式或者水平極化的形式或其它角度位置相同時，通訊距離為66m;當(dāng)天線極化形式不同時，測試時一個為垂直極化形式一個為水平極化，測得結(jié)果為41.2m;上述兩種結(jié)果均在少障礙物狀況下測量。當(dāng)天線極化形式不一致時，減少約10m。當(dāng)障礙物增加時，通訊距離會減小。圖8為天線極化方式不一致時，無線通信后控制器狀態(tài)的實(shí)物顯示圖。當(dāng)改變信道環(huán)境和發(fā)射功率后，傳送范圍發(fā)生變化。考慮到不同礦井情況不一致，入井時根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整功率。

圖8 無線通信系統(tǒng)中的控制器實(shí)物圖

6 結(jié)束語

ZigBee技術(shù)是目前無線通信技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)熱門技術(shù)，采用該技術(shù)設(shè)計(jì)皮帶運(yùn)輸機(jī)控制人員的監(jiān)控系統(tǒng)，傳輸距離遠(yuǎn)且有效降低了功耗。本設(shè)計(jì)有待于進(jìn)一步擴(kuò)展，可以通過增加節(jié)點(diǎn)數(shù)目、增大發(fā)送功率來擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，再結(jié)合先進(jìn)的路由算法，更好地實(shí)現(xiàn)對礦井內(nèi)對每一名員工的管理。

應(yīng)用中，本文的設(shè)計(jì)為煤礦井下人員日常的管理提供了一定的實(shí)用功能，比較適合煤礦企業(yè)的需求。同時，設(shè)計(jì)中采用的鐵電存儲技術(shù)，也為解決實(shí)際應(yīng)用中存儲方面的問題提供了一定的參考方案。

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