楊迎新， 趙樹忠， 張順玲

(1.河北聯(lián)合大學(xué)，河北 唐山 063009；2.開灤趙各莊礦勞動服務(wù)公司，河北 唐山 063101)

基于GIS技術(shù)礦燈智能充電架的研究*

楊迎新1*， 趙樹忠1， 張順玲2

(1.河北聯(lián)合大學(xué)，河北 唐山 063009；2.開灤趙各莊礦勞動服務(wù)公司，河北 唐山 063101)

針對開灤公司礦燈充電架的現(xiàn)狀，研究使用CAN通信技術(shù)的硬件充電系統(tǒng)和基于GIS技術(shù)的軟件管理系統(tǒng).該研究首先應(yīng)用電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)設(shè)計并改進(jìn)充電指示板和電腦控制板，有效提高了礦燈的充電飽和度；然后開發(fā)了一套B/S結(jié)構(gòu)的智能管理系統(tǒng)，首次將GIS技術(shù)引用到該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢就像地圖查詢一樣，具有鷹眼導(dǎo)航、點(diǎn)放大/縮小、專題圖制作、雙向查詢等功能.

充電架；CAN；GIS；飽和度

礦燈是礦山必不可少的設(shè)備之一，礦燈充電架是煤礦用礦燈的充電設(shè)備[1].目前煤礦常用的充電架有兩類，一類是比較簡單的不帶管理系統(tǒng)的充電架，另一類是較先進(jìn)的智能型礦燈充電架.智能型礦燈充電架是采用先進(jìn)的CPU控制、數(shù)字通訊、智能電源管理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對煤礦燈房的全部礦燈進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和管理[2].使用計算機(jī)軟件管理系統(tǒng)可對礦燈進(jìn)行監(jiān)測和管理，完成充電過程的數(shù)據(jù)采集、處理、輸出等功能，可以隨時了解礦燈的使用情況，對礦燈進(jìn)行必要的保養(yǎng)和維護(hù)，使之保持良好的運(yùn)行狀態(tài).

目前國內(nèi)做充電架的生產(chǎn)廠家有幾十家，基本上全部采用單片機(jī)和充電指示板連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，充電的通斷由充電指示板控制，這種連接方式需要的線路很多，接線太亂.軟件大多采用C/S結(jié)構(gòu)，由一臺電腦采用總線結(jié)構(gòu)連接多臺充電架，對礦燈的監(jiān)測只能由這一臺電腦完成，操作人員也只能是在這一臺電腦上操作.本研究綜合分析充電架數(shù)據(jù)，及時采集充電架的動態(tài)數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GIS技術(shù)從時間和空間兩個方面給出各充電位的現(xiàn)在運(yùn)行狀況，是充電架管理技術(shù)的一項(xiàng)開創(chuàng)性工作.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)包括硬件設(shè)計和軟件開發(fā)兩部分：硬件主要包括電腦控制板和充電指示板的設(shè)計與制作.電腦控制板采用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)按用戶的要求擴(kuò)展充電臺位，并且使礦燈電池的充電飽和度達(dá)到95%以上，設(shè)有過充保護(hù)裝置，防止電池因過充損壞，同時將礦燈充電的時間和狀態(tài)上傳到系統(tǒng)主機(jī).充電指示板主要用來顯示礦燈的充電狀態(tài)，并且將狀態(tài)信息上傳至數(shù)據(jù)庫，同時具有過充保護(hù)，欠充指示.數(shù)據(jù)通信采用目前速度較快的CAN卡技術(shù)[3，4].

軟件開發(fā)主要是采用GIS技術(shù)[5～8]，開發(fā)一套基于B/S結(jié)構(gòu)的礦燈智能管理系統(tǒng).該系統(tǒng)界面友好，兼容性強(qiáng)，功能實(shí)用，可以實(shí)現(xiàn)各級領(lǐng)導(dǎo)、管理人員使用各種瀏覽器對礦燈充電架整體狀態(tài)的查看，也可以擴(kuò)大地圖，查看某個充電位，該系統(tǒng)還包括礦工的考勤管理，能夠根據(jù)礦燈的使用時間，計算礦工的工時，為工資管理留出接口.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件部分主要由礦燈充電架、充電指示板、CAN通信傳輸、電腦控制板、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WEB服務(wù)器、單位局域網(wǎng)、客戶端瀏覽器等組成.本文主要研究其電氣特性，主要是充電指示板、電腦控制板和通信傳輸，其中充電指示板主要用來顯示礦燈的充電狀態(tài)，有紅綠兩個指示燈，用來指示正在充電、已經(jīng)充滿、空掛三種狀態(tài)，其中紅燈亮表示正在充電，綠燈亮表示已經(jīng)充滿.充電指示板是每個充電位配置一個，主要具有礦燈充電狀態(tài)的顯示、充電控制功能，是礦燈充電架最主要的電路部分，系統(tǒng)在不開通主控程序的狀態(tài)下，只要有充電指示板就可以簡單實(shí)現(xiàn)給礦燈充電的功能.電腦控制板是每個充電架配置一個，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理、輸出、通信等功能，并將采集到的信息發(fā)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器.電腦控制板可以實(shí)現(xiàn)按用戶的要求擴(kuò)展充電臺位，并且使礦燈電池的充電飽和度達(dá)到95%以上，設(shè)有過充保護(hù)裝置，防止電池因過充而損壞.

礦燈架與服務(wù)器的連接采用的是CAN通信技術(shù)，采用CAN通信傳輸是為了提高系統(tǒng)的傳輸效率，提高可靠性.系統(tǒng)通信由單片機(jī)控制CAN控制器實(shí)現(xiàn)，結(jié)合CAN收發(fā)器完成系統(tǒng)的初始化以及報文的接收和發(fā)送，系統(tǒng)通信模塊存儲在WEB服務(wù)器上，用C#語言編寫，負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信及數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送.并將該程序放到程序池中，開機(jī)即啟動.

系統(tǒng)主控程序主要存儲在WEB服務(wù)器上，完成對信息的采集、分析、處理、顯示、統(tǒng)計、報表輸出等功能.數(shù)據(jù)文件可根據(jù)客戶條件，存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，也可與WEB服務(wù)器合二為一.客戶機(jī)與服務(wù)器的連接采用公司內(nèi)部局域網(wǎng)，客戶端使用本機(jī)上安裝的瀏覽器即可以B/S方式訪問服務(wù)器.系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

2.2 充電指示板電路的設(shè)計

充電指示板是固定在礦燈架充電位上的，每個充電位對應(yīng)一個充電指示板，具有兩個指示燈和四個接口，兩個指示燈用來指示充電狀態(tài)，四個接口分別接充電電源的正負(fù)極和充電電池的正負(fù)極.其電路框圖如圖2所示.

充電位電源接口是指充電指示板的輸入接口，是220 V交流電壓經(jīng)過變壓器后輸出的6 V直流電壓，由兩根線分別接充電指示板的充電電源的正負(fù)極.充電電池的充電電流取樣是一個電壓輸出，會隨著電池飽和度的升高而降低，比較電路就是以此為依據(jù)進(jìn)行比較的.

標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓電路主要由貼片431可控精密穩(wěn)壓源和兩個貼片電阻102、913實(shí)現(xiàn).431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路，在功能上相當(dāng)于一個低溫漂、可控穩(wěn)壓二極管，用兩個電阻就可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)，可調(diào)范圍從2.5 V到36 V.102和913就是兩個貼片電阻，阻值分別是1 000 Ω和91 kΩ.431的工作原理是當(dāng)輸入電壓增大時，輸出電壓增大導(dǎo)致了輸出采樣增大，內(nèi)部電路通過調(diào)整使流過自身的電流增大，從而限流電阻的壓降增大，因?yàn)檩敵鲭妷旱扔谳斎腚妷簻p限流電阻壓降，從而使得輸出電壓減小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓.

比較器電路是充電指示板中的指示控制電路，本系統(tǒng)采用雙列貼片式封裝的LM358集成運(yùn)算放大器作為比較器.常用比較器有三種：簡單比較器、遲滯比較器和窗口比較器.LM358是一種簡單比較器，在電路中將礦燈的充電電流取樣接到比較器的同相輸入端，標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓電路得到的輸出電壓接比較器的反相輸入端，比較器的輸出端通過限流電阻接LED指示燈.

基于此種方法設(shè)計的充電指示板，采用的是恒壓充電方式，在整個充電過程中，充電電壓保持恒定，充電電流的大小隨著電池狀態(tài)的變化逐漸減小.充電過程接近最佳充電曲線，缺點(diǎn)是充電時間較長.

2.3 電腦控制板的設(shè)計

電腦控制板以8051系列單片機(jī)89C51為核心組成.它包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、地址選擇開關(guān)、數(shù)據(jù)接口、CAN通信電路等.其中89C51作為中央處理單元，控制著數(shù)據(jù)的采集、處理、輸出、通信等.它將礦燈充電架所有充電指示板的狀態(tài)采集形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，通過CAN接口以數(shù)據(jù)通訊形式傳至主機(jī).主控計算機(jī)接有CAN卡，并通過一條兩芯的電纜線接到充電架的數(shù)據(jù)采集板上.采集板上有一個六位DIP開關(guān)，用來區(qū)分充電架的物理地址，系統(tǒng)中每一個充電架配有一套數(shù)據(jù)采集板，每個數(shù)據(jù)采集板要具有一個唯一的地址，用來表示設(shè)備的地址，系統(tǒng)中設(shè)備地址不能重復(fù).6位開關(guān)采用二進(jìn)制編碼最多可連接64臺充電架.開關(guān)上標(biāo)1的位置是最低位，標(biāo)6的位置是最高位.將某一位開關(guān)扳向off端表示該位為1，扳向on端表示該位為0，比如將第一個充電架的開關(guān)1扳向off，既選擇地址1，將第二個充電架的采集板的開關(guān)2扳到off端，既選擇地址2，將第三個充電架的采集板的開關(guān)1、2都要扳到off端，二進(jìn)制的11表示3，既選擇地址3，依此類推.在整個系統(tǒng)中，充電架上采集板的地址開關(guān)不能相同，否則會引起沖突，出現(xiàn)故障.一般都是用對應(yīng)開關(guān)表示的二進(jìn)制數(shù)按照順序進(jìn)行標(biāo)碼.

表1 部分采集板地址及開關(guān)表

2.4 通信電路的設(shè)計

在本系統(tǒng)中，采用PHILIP公司生產(chǎn)的通信控制器SJA1000和82C250作為收發(fā)器的CAN總線接口電路.SJA1000是應(yīng)用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨(dú)立CAN總線控制器，具有完成CAN通信協(xié)議所要求的全部特性，可完成CAN總線的物理和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能.該芯片功耗低，速度快，工作電壓僅為+5 V.具有高速和低速兩種工作模式，理論上連接無數(shù)個節(jié)點(diǎn)設(shè)備.本系統(tǒng)基于電腦控制板上撥碼開關(guān)的限制，規(guī)定最多連接64個充電架.

多臺充電架采用級聯(lián)方式，具體接法是從主控計算機(jī)的串口接一個232/CAN轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的另一端通過兩根電纜接在第一臺充電架采集板的CANIN端、第一臺充電架采集板的CANOUT接到第二臺充電架采集板的CANIN端、第二臺充電板的CANOUT接到第三臺充電架的CANIN端，以此類推，直到最后一臺充電架.如圖3所示.

本系統(tǒng)中，SJA1000是一個總線接口芯片，通過它實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場微處理器之間的數(shù)據(jù)通信.該電路的主要功能是通過CAN總線接收來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后下傳給下位機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)控制功能，當(dāng)CAN總線接口接收到下位機(jī)的上傳數(shù)據(jù)，SJA1000就產(chǎn)生一個中斷，引發(fā)微處理器產(chǎn)生中斷，通過中斷處理程序接收幀信息，并通過CAN總線上傳給上位機(jī)進(jìn)行分析.AT89C51是CAN總線接口電路的核心，其承擔(dān)CAN控制器的初始化、CAN的收發(fā)控制等任務(wù).系統(tǒng)接口電路總體框圖如圖4所示.

CAN控制器與物理總線間通過82C250連接，可以提供對總線的發(fā)送和接收能力，并具有較好的抗干擾能力和保護(hù)總線的能力.82C250具有的電流限制電路，對總線具有保護(hù)功能.通過82C250與物理總線進(jìn)行連接，可使總線支持100多個節(jié)點(diǎn)的掛接.

上位機(jī)通過CAN卡連接到CAN總線上，CAN卡遵循CAN2.0協(xié)議.CAN卡支持Windows驅(qū)動程序，包含可以被程序調(diào)用的動態(tài)鏈接函數(shù)庫.上位機(jī)側(cè)的通信程序，通過C#語言調(diào)用CAN卡自帶的動態(tài)鏈接庫的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間的通信，接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式存在，然后將數(shù)據(jù)寫入到SQL SERVER數(shù)據(jù)庫中.本系統(tǒng)的CAN總線通信采用有效數(shù)據(jù)為8個字節(jié)的短幀結(jié)構(gòu).上位機(jī)和設(shè)備之間的通信采用的是查詢的方式.

3 礦燈智能管理系統(tǒng)的設(shè)計

軟件開發(fā)主要是采用GIS技術(shù)，開發(fā)一套基于B/S結(jié)構(gòu)的礦燈智能管理系統(tǒng).該系統(tǒng)界面友好，兼容性強(qiáng)，功能實(shí)用.可以實(shí)現(xiàn)各級領(lǐng)導(dǎo)、管理人員使用各種瀏覽器對礦燈充電架整體狀態(tài)的查看，也可以擴(kuò)大地圖，查看某個充電位，該系統(tǒng)還包括礦工的人員考勤管理，能夠根據(jù)礦燈的使用時間，計算礦工的工時.為工資管理留出接口.

3.1 管理系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用組件式二次開發(fā)模式，在基于Windows 操作系統(tǒng)平臺上結(jié)合 GIS 組件SuperMap Objects 2008，實(shí)現(xiàn)GIS的基本功能.將SuperMap Objects的控件嵌入應(yīng)用程序中，在VS2010中作為控件使用，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和GIS空間查詢統(tǒng)計功能采用VS2010開發(fā)，各種GIS功能通過設(shè)置對象屬性和調(diào)用對象的方法來實(shí)現(xiàn).空間及屬性數(shù)據(jù)庫采用SuperMap SDX數(shù)據(jù)庫引擎來構(gòu)建.

3.2 管理系統(tǒng)功能設(shè)計

礦燈充電架智能管理系統(tǒng)是一個基于網(wǎng)絡(luò)的可實(shí)現(xiàn)礦燈充電架信息化管理的系統(tǒng)，結(jié)合考察的實(shí)際情況，該系統(tǒng)的主要功能模塊可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、礦工信息管理、部門(或工段)管理、礦燈充電架管理、礦燈管理、礦工出勤管理、數(shù)據(jù)維護(hù)等功能.通過對系統(tǒng)功能需求的分析，將該系統(tǒng)劃分為四個模塊，15個子模塊.如圖6所示.

(1) 設(shè)置模塊：面向整個系統(tǒng)，對系統(tǒng)參數(shù)、用戶權(quán)限與密碼等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了多用戶和不同權(quán)限級別用戶的訪問.

(2) 燈架監(jiān)控模塊：對礦工和礦燈的基本信息進(jìn)行添加、刪除、修改操作，對礦燈充電架的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控并返回結(jié)果，可查詢某礦燈架當(dāng)前狀態(tài)，查詢目前礦燈的分布情況、統(tǒng)計剩余充電次數(shù)和礦燈狀態(tài).對損壞和達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)使用次數(shù)的礦燈進(jìn)行換燈操作.

(3) 考勤管理模塊：對礦工的出勤情況和請假情況進(jìn)行統(tǒng)計，對上下井統(tǒng)計和超時入井統(tǒng)計功能可以保證對于井下和井上礦工進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，盡量做到安全下井，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常也可以及時做出反應(yīng)，最大程度保證了礦工的人身和財產(chǎn)安全.

(4) 數(shù)據(jù)維護(hù)模塊：面向管理系統(tǒng)，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和統(tǒng)計，便于煤礦及時發(fā)現(xiàn)硬件老化等問題；另外，提供清空數(shù)據(jù)庫記錄的功能，便于后臺數(shù)據(jù)庫的管理.

4 結(jié) 論

與目前國內(nèi)充電技術(shù)相比，本研究改進(jìn)了充電指示板電路結(jié)構(gòu)，對充電飽和度進(jìn)行了詳細(xì)分析與優(yōu)化，有效地提高了充電飽和度.本系統(tǒng)采用先進(jìn)的地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)和組件式開發(fā)模式，結(jié)合礦燈智能充電架管理的專業(yè)知識與經(jīng)驗(yàn)，建成技術(shù)先進(jìn)、功能強(qiáng)大的礦燈智能充電架管理系統(tǒng).系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有廣闊的應(yīng)用前景.

[1] 杜明利. 現(xiàn)代化礦井燈房智能充電架管理系統(tǒng)[J]. 自動化應(yīng)用，2013(10):13-69.

[2] 王建勇. 投線儀鋰電池充電管理電路設(shè)計[J]. 江蘇科技信息,2014(14):34-37.

[3] 王欣峰,任淑萍.基于CAN總線的礦用多功能充電架的開發(fā)與研究[J]. 機(jī)械工程與自動化,2014(4):152-154.

[4] 吳戰(zhàn)偉,翟亞芳.基于CAN總線的智能變電站變送器[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2014(8):40-42.

[5] 朱宏權(quán),劉學(xué)軍. 基于GIS的可跨場景人群密度估計方法(英文)[J]. 中國通信，2014(11):80-89.

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[8] 胡靜波,陳永晶. 基于GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在專題地圖制作中的應(yīng)用方法研究[J]. 測繪與空間地理信息,2014(10) :164-165.

責(zé)任編輯：龍順潮

Research about Intelligent Miner's Lamp Charging System Based on GIS Technology

YANGYing-xin1*,ZHAOShu-zhong1,ZHANGShun-ling2

(1.Hebei United University,Tangshan,063009；2.Kailuan Zhaogezhuang Mine Labor Service Corporation, Tangshan 063101 China)

The performance of miner’s lamp can affect a mine’s production safety directly, and the informative level of miner-lamp’s management is also influential to the executive level’s decision. Based on the present situation of Kailuan Company’s lamp-charging rack, the current study will explore both hardware charging systems and software managing systems. The former employs CAN communication technology, and the latter is based on GIS technology.Firstly, making use of applied electronic technology and single chip technology, the study presents the designs of charging indicator panels and computer controlling boards. These two designs can increase miner-lamp’s charging saturation effectively. After that, an intellectual managing system based on B/S structure is developed, which introduces GIS technology to such systems for the first time. This intellectual managing system makes data enquiries like looking at a map, with functions such as Hawkeye navigation, point zoom in/out, thematic map production, bidirectional query, etc.

charging rack; CAN; GIS; saturation

2014-02-10

唐山市科技局自然科學(xué)基金項(xiàng)目(12110221b)

楊迎新(1972— ),女，河北 遷安人，副教授.E-mail:yingxinyang@163.com

TH822

A

1000-5900(2015)01-0092-05