徐力軍
余姚市科技創(chuàng)新服務(wù)中心,浙江 寧波 315400
2020年,全國煤礦發(fā)生事故123起,死亡228人,同比分別下降27.6%和27.8%。盡管煤礦安全生產(chǎn)工作取得了明顯成效,但是煤礦安全形勢依然嚴(yán)峻,而照明設(shè)備安全是保障礦井安全的重要部分之一,需要予以重視。大量學(xué)者進(jìn)行了礦井照明安全性及穩(wěn)定性的研究。高云廣[1]提出了基于PLC的煤礦井下照明保護(hù)系統(tǒng),增加了保護(hù)系統(tǒng)的可靠性;原紅飛[2]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井智慧照明系統(tǒng),選擇合理的照明方式,有效節(jié)約了能源,提高了能源利用率;李雪梅[3]設(shè)計了礦井應(yīng)急無源LED照明系統(tǒng),在礦井下采用綠色照明能消除照明產(chǎn)品對環(huán)境造成的不利影響,提高生產(chǎn)的安全性。文章提出基于ZigBee的礦用照明燈具壽命提示系統(tǒng),在每個照明燈具上設(shè)置一個壽命計時器,燈具一旦通電亮起,壽命計時器即自動開始計時。當(dāng)工作人員手持巡檢器進(jìn)行巡檢時,各壽命計時器將逐個接入ZigBee網(wǎng)絡(luò),巡檢器主動采集各壽命計時器的實(shí)時壽命計時值,并與設(shè)置的報警壽命值進(jìn)行比較,當(dāng)兩者的差值小于安全值,則控制相應(yīng)壽命計時器的指示燈閃爍,以此提醒工作人員及時更換燈具,從而保障生產(chǎn)作業(yè)安全。
系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1所示,包括至少1個ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、1個ZigBee協(xié)調(diào)器。給礦井現(xiàn)場的每個照明燈具設(shè)置一個壽命計時器,將其作為ZigBee終端節(jié)點(diǎn),工作人員巡檢用的手持巡檢器作為ZigBee協(xié)調(diào)器,工作人員可操作觸摸屏,根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置報警壽命值及安全值。當(dāng)工作人員攜帶的巡檢器與照明燈具的距離達(dá)到建立ZigBee通信的有效距離范圍內(nèi)時,終端節(jié)點(diǎn)逐個自動接入ZigBee網(wǎng)絡(luò),巡檢器主動采集各終端節(jié)點(diǎn)計得的實(shí)時壽命計時值,并與設(shè)定的報警壽命值比較,一旦兩者之間的差值小于安全值,則由巡檢器發(fā)送命令給相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn),終端節(jié)點(diǎn)控制其連接的指示燈閃爍,以此提醒工作人員,及時更換燈具。
圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)成圖
系統(tǒng)硬件由壽命計時器、巡檢器兩部分組成。
壽命計時器硬件組成如圖2所示,主要包括電源電路、無線收發(fā)電路、MCU、驅(qū)動電路、LED燈具、E2PROM及指示燈。
圖2 壽命計時器硬件組成圖
壽命計時器設(shè)置在照明燈具上,從照明燈具中取電,經(jīng)電源電路處理后,得到合適的電壓、電流等級,給各電路部件供電。MCU選用CC2530單片機(jī),其內(nèi)置8051內(nèi)核和RF收發(fā)器,能以極低的功耗迅速建立穩(wěn)定的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。MCU通過驅(qū)動電路控制LED燈具提供照明,一旦LED燈具通電亮起,MCU即自動開始計時,得到的計時值即為該燈具的實(shí)時壽命值,將該值按設(shè)定的周期寫入E2PROM中,可實(shí)現(xiàn)掉電不丟失,且該值不斷刷新,下一次重新通電會累加計時。當(dāng)接收到巡檢器發(fā)來的采集命令時,由壽命計時器將該值上傳[4-5]。
巡檢器硬件組成如圖3所示,包括電源電路、MCU、無線收發(fā)電路、程序下載電路、E2PROM及觸摸屏。
圖3 巡檢器硬件組成圖
巡檢器為手持協(xié)調(diào)器設(shè)備,工作人員可操作觸摸屏,根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置報警壽命值及安全值,并寫入E2PROM中,下次開機(jī)不需要重新設(shè)置,程序下載電路用于下載默認(rèn)設(shè)置。
壽命計時器與巡檢器基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向無線通信。一方面,壽命計時器可接收巡檢器發(fā)送過來的采集命令,將實(shí)時壽命值上傳給巡檢器;另一方面,巡檢器將采集到的壽命計時值與設(shè)置的報警壽命值進(jìn)行比較,若判斷為滿足報警條件,則發(fā)送報警命令給相應(yīng)的壽命計時器,壽命計時器控制其連接的指示燈閃爍。
終端節(jié)點(diǎn)主要完成燈具壽命計時、報警提示兩個功能,其工作流程如圖4所示。
圖4 直流智能調(diào)光系統(tǒng)拓?fù)鋱D
圖4 終端節(jié)點(diǎn)工作流程圖
終端節(jié)點(diǎn)上電進(jìn)行初始化后,LED燈具亮起,自動開啟計時,得到實(shí)時壽命值,并周期性寫入E2PROM保存。終端節(jié)點(diǎn)檢測范圍內(nèi)是否存在指定的ZigBee網(wǎng)絡(luò),當(dāng)巡檢人員手持巡檢器,進(jìn)入有效信號范圍內(nèi)時,終端發(fā)送入網(wǎng)請求,請求加入該ZigBee網(wǎng)絡(luò)。入網(wǎng)成功后,終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)來的采集命令,將計得的實(shí)時壽命值回復(fù)給將協(xié)調(diào)器;而當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)接收到協(xié)調(diào)器反饋過來的報警命令時,則控制其指示燈閃爍[6-7]。
ZigBee協(xié)調(diào)器作為全功能設(shè)備,具有建立網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、管理終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和退網(wǎng)、接收來自終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及下發(fā)控制指令等功能[8-10],其工作流程如圖5所示。
圖5 ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程圖
ZigBee協(xié)調(diào)器完成初始化工作后,工作人員可操作觸摸屏,進(jìn)行報警壽命值、安全值等參數(shù)的設(shè)置,并寫入E2PROM中,若無需重新設(shè)置參數(shù),則維持默認(rèn)設(shè)置值。巡檢人員手持協(xié)調(diào)器進(jìn)行巡檢,人員移動到哪里,則在哪里建立一定信號范圍的ZigBee網(wǎng)絡(luò),并接納該范圍內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。終端節(jié)點(diǎn)逐個入網(wǎng)后,在觸摸屏界面上展示,同時協(xié)調(diào)器主動采集各終端節(jié)點(diǎn)的實(shí)時壽命計時值,并與設(shè)定的報警壽命值比較,一旦兩者之間差值小于安全值,則下發(fā)報警命令給對應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn),該終端節(jié)點(diǎn)的指示燈閃爍,提醒巡檢人員,應(yīng)及時更換LED燈具。
文章基于ZigBee無線自組網(wǎng)通信技術(shù),將照明燈具上的壽命計時器作為終端節(jié)點(diǎn),巡檢人員手持的巡檢器作為協(xié)調(diào)器,工作人員移動到哪里,則ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立到哪里,信號范圍內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)逐個接入網(wǎng)絡(luò),協(xié)調(diào)器主動采集各終端的實(shí)時壽命計時值,并進(jìn)行比較和判斷,從而自動發(fā)出更換照明燈具的提示。該系統(tǒng)可有效保證礦井照明長亮,解決了礦井環(huán)境中因燈具壽命耗盡無法及時更換導(dǎo)致的安全問題,從而保護(hù)井內(nèi)生產(chǎn)安全和人員生命安全。