侯健，蔣明君，王斌，何炎靈

（民辦四川天一學(xué)院 信息工程系，四川綿竹，618200）

0 引言

根據(jù)2020年國家煤礦安監(jiān)局重點強(qiáng)化礦井安全治理五大安全問題，防止礦井安全風(fēng)險，解決重大安全事故，推動全國礦井安全生產(chǎn)穩(wěn)定生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計，在2020上半年，全國礦產(chǎn)開發(fā)企業(yè)共發(fā)生安全事故58起，其中死亡人數(shù)81人，傷亡率還是比較大，基本每起至少都有一人死亡，可想礦井事故的危害之大，為了強(qiáng)化礦井安全治理，國家煤監(jiān)局機(jī)關(guān)，派出11個檢查組，開展為期2輪的明察暗訪，兩會期間，共派出200多個，共檢查礦井700多次，查處問題隱患5636條，6個督導(dǎo)組進(jìn)行4輪督導(dǎo)檢查，對異地監(jiān)察，特別是山西晉中等7個重點地區(qū)，開展監(jiān)督執(zhí)法，查處礦井70多起，存在隱患接近1000條。可見國家對礦井安全的重視，堅決抵制此類事件的發(fā)生，如果發(fā)生必將嚴(yán)懲。

礦井下工作環(huán)境惡劣，所以防止礦井安全事故的發(fā)生，顯得尤為重要，需要一個24小時不間斷檢測、控制、處理并且穩(wěn)定的系統(tǒng)，來保證礦井工作環(huán)境的安全?；诖耍O(shè)計了一款基于ZigBee的智能礦井安全聯(lián)動系統(tǒng)，可以檢測并控制礦井工作人員的環(huán)境安全。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)系統(tǒng)由采集端，控制端，PC端，Android端組成。采集端包括了人體紅外傳感器、光敏傳感器、氣體傳感器、溫濕度傳感器等。主要負(fù)責(zé)礦井內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，并將實時數(shù)據(jù)發(fā)給控制端，控制端對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和控制，并反饋給PC端或Android端呈現(xiàn)給用戶，用戶可以實時查看數(shù)據(jù)或控制設(shè)備。了解礦井周圍的環(huán)境情況，保證人員的安全。本系統(tǒng)的系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 基于ZigBee的智能礦井安全聯(lián)動系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)核心板設(shè)計

本系統(tǒng)的ZigBee無線通信芯片采用的是TI公司的ZigBee SoC射頻芯片CC2530F256。作為系統(tǒng)的核心控制板，并設(shè)計了它的原理圖和PCB圖，使用的是Altium Designer軟件繪制。本系統(tǒng)采用了兩塊核心板，分別作為系統(tǒng)的采集端和主控制器端。

2.2 傳感器模塊設(shè)計

①溫濕度傳感器：本系統(tǒng)采用的溫濕度傳感器為DHT11，需要實時檢測井下溫度和濕度變化，通過溫濕度傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)，采集端對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，如果溫度和濕度異常時，蜂鳴器就會報警，提醒工作人員撤離。其控制管腳分別連接在采集端核心板的P07口，3V和GND端。

②人體傳感器：本系統(tǒng)采用的溫濕度傳感器為HCSR501，用來檢測人體的活動區(qū)域和范圍，也可以在危險區(qū)域放置傳感器，如果有人靠近就會報警，防止人員靠近。如果有事故發(fā)生，可以檢測人被困區(qū)域，方便實施救援，安排施救方案。其控制管腳分別連在5V，采集端核心板的P0.4口，GND端。

③氣體傳感器：井下有害氣體非常多，如甲烷，一氧化碳，氨氣，氮氣等等。不僅影響生命安全，還容易發(fā)生爆炸，導(dǎo)致塌方，所以對井下要進(jìn)行危險氣體檢查，防止?jié)舛瘸瑯?biāo)，氣體傳感器實時會檢測氣體濃度，超標(biāo)時會發(fā)出預(yù)警信息。本系統(tǒng)采用的氣體傳感器型號為MQ-2，其管腳分別連接到5V，GND，采集端核心板的P1.5口。

④光敏傳感器:本系統(tǒng)采用的是光敏傳感器型號:MHSensor-Series，來檢測環(huán)境亮度。光照十分重要，當(dāng)亮度偏低是，光敏傳感器，可以發(fā)送提示信息，并自動調(diào)節(jié)光照亮度，或打開應(yīng)急燈光，保證井下光照充足。其管腳分別連接到5V，GND和采集端核心板P0.6口。

⑤顯示屏：本系統(tǒng)采用的是OLED液晶顯示屏，對采集的實時數(shù)據(jù)展示給井下工作人員看，當(dāng)有異常情況時，發(fā)出預(yù)警信息。其管腳分別連接到GND，電源為3V，數(shù)據(jù)端連接到主控制器端核心板的P1.2，P1.3，P1.7和P0.0口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PC應(yīng)用程序開發(fā)

本系統(tǒng)PC端使用C#編寫了系統(tǒng)的控制應(yīng)用程序，用戶需要打開電腦的藍(lán)牙或者外接藍(lán)牙外設(shè)，連接單片機(jī)藍(lán)牙模塊（HC-05）,選擇相應(yīng)串口設(shè)置波特率，接到系統(tǒng)的功能操作界面，如圖2所示。

圖2 PC端系統(tǒng)的功能操作界面

①溫濕度顯示模塊：控制端和PC進(jìn)行藍(lán)牙通信，PC端將溫濕度值以折線統(tǒng)計圖實時顯示，用戶可以很直觀看見溫濕度的變化，用戶還可以設(shè)置溫濕度的閥值，當(dāng)溫濕度值超過多時，實施報警，蜂鳴器鳴響。

②信息檢測模塊：顯示人體傳感器和可燃?xì)怏w的值，實時采集數(shù)據(jù)，當(dāng)有人靠近時，提示有人信息，無人靠近時顯示無人信息，可燃?xì)怏w超標(biāo)時，提示可燃?xì)怏w濃度高，低時，可燃?xì)怏w濃度低。

③蜂鳴器狀態(tài)模塊：顯示蜂鳴器是否是打開狀態(tài)還是關(guān)閉狀態(tài)，如果想關(guān)閉蜂鳴器，也直接關(guān)閉，不管是否外部的值怎么樣變化，都不受影響。

④設(shè)備控制模塊：用于控制排氣風(fēng)扇的開和關(guān)，排氣風(fēng)扇有兩種模式，一是自動，由控制器自動控制，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度值偏高時，風(fēng)扇由控制器自動打開。二是手動，由PC端用戶手動控制，當(dāng)控制器不能控制風(fēng)扇時，就可以使用手動控制，增加系統(tǒng)的容錯率。手動時風(fēng)扇會有動畫顯示，來查看風(fēng)扇變化。溫濕度控制模塊，用于打開接收溫濕度的值，和暫停接收溫濕度值。

3.2 手機(jī)端程序開發(fā)

①界面展示：APP開發(fā)工具使用Android Studio，APP名為智能礦井系統(tǒng)，其手機(jī)端用戶交互界面如圖3所示。

圖3 手機(jī)端用戶交互界面

②藍(lán)牙連接：藍(lán)牙模塊采用HC-05模塊，用戶按下開啟藍(lán)牙按鈕，會彈出提示框是否打開藍(lán)牙，點擊允許藍(lán)牙開啟。然后按下連接藍(lán)牙，就會顯示藍(lán)牙已經(jīng)匹配的藍(lán)牙列表，點擊你想連接的藍(lán)牙選項，就可以實現(xiàn)藍(lán)牙的連接。

③信息顯示：當(dāng)手機(jī)連接到藍(lán)牙模塊時，手機(jī)就接收到主控端發(fā)來的數(shù)據(jù)值，手機(jī)將接收到值進(jìn)行處理，并將信息實時顯示出來。

④控制設(shè)備：按下風(fēng)扇開按鈕，就可以對風(fēng)扇進(jìn)行打開，按下風(fēng)扇關(guān)按鈕，就可以對風(fēng)扇進(jìn)行關(guān)閉。

4 測試

啟動系統(tǒng)，如圖4所示，各傳感器將接收的數(shù)據(jù)，匯聚到主控端的LCD屏顯示，LCD分別顯示溫濕度和人體，氣體，光敏值。如果改變環(huán)境溫、濕度，可以看見PC端用戶交互界面上的溫、濕度折線圖會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，如圖2所示。說明PC端接收到主控端發(fā)來的數(shù)據(jù)。當(dāng)溫、濕度超過閾值時，在主控端OLED屏?xí)@示溫濕度過高，并有蜂鳴器報警。為了讓蜂鳴器停止工作，可以設(shè)置關(guān)閉蜂鳴器，如果要啟動，選擇啟動即可。手機(jī)端的相關(guān)測試與PC端測試類似，這里不一一呈現(xiàn)，其交互界面如圖3所示。

圖4 系統(tǒng)硬件工作展示

將打火機(jī)的氣體靠近氣體傳感器放出（模擬礦井下有害氣體濃度過高），可燃?xì)怏w濃度高，并自動打開風(fēng)扇，降低可燃?xì)鉂舛龋?dāng)不在放出氣體時，濃度變低，自動關(guān)閉風(fēng)扇。選擇手動選項，就可以對風(fēng)扇進(jìn)行開關(guān)控制，選擇自動，由主控端自動控制風(fēng)扇開關(guān)。

5 結(jié)束語

在礦井下需要時刻關(guān)注周圍環(huán)境，即使報告異常情況，保證井下人員的安全?；赯igBee的智能礦井安全聯(lián)動系統(tǒng)正是考慮到這些問題而設(shè)計，本系統(tǒng)利用了手機(jī)、電腦等設(shè)備實現(xiàn)對礦井內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，并將實時數(shù)據(jù)發(fā)給PC端和手機(jī)端；交互界面人性化、跨平臺、操作簡單。雖然是個系統(tǒng)的雛形，但也反應(yīng)了系統(tǒng)在礦井下的檢測工作流程，也可以作為后續(xù)升級系統(tǒng)的一個參考。