基于熱成像與ZigBee的帶式輸送機(jī)危險(xiǎn)區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)

王方杰，孫 磊，任賀賀，王 寅

（1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與信息中心，江蘇 徐州 221000；3.兗礦集團(tuán)有限公司 山東煤炭技術(shù)研究所，山東 濟(jì)南 250000）

礦用帶式輸送機(jī)是儲煤場運(yùn)輸煤的重要設(shè)備，在儲煤場實(shí)際的工作環(huán)境中，儲煤場作業(yè)人員需要在帶式輸送機(jī)輸送帶的進(jìn)料口處進(jìn)行作業(yè)[1]。由于帶式輸送機(jī)輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度快、作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜等，會發(fā)生作業(yè)人員落入帶式輸送機(jī)運(yùn)輸帶的事故。如果落入運(yùn)輸帶的作業(yè)人員沒有被及時發(fā)現(xiàn)或者沒有及時關(guān)閉帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，就會造成人員傷亡。因此帶式輸送機(jī)運(yùn)輸帶的進(jìn)料口處是危險(xiǎn)事故的多發(fā)地帶，需要對該區(qū)域進(jìn)行有效的監(jiān)控[2]。

近年，ZigBee、Z-Wave等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，為復(fù)雜環(huán)境下組建可信網(wǎng)絡(luò)與無線信號傳輸問題提供了解決方案；紅外熱成像技術(shù)以及其它傳感器技術(shù)的出現(xiàn)拓寬了監(jiān)測系統(tǒng)的可視范圍[3-6]。為此結(jié)合紅外熱成像傳感技術(shù)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)，針對帶式輸送機(jī)輸送帶進(jìn)料口，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在事故發(fā)生后及時監(jiān)測到跌落人員并自動關(guān)閉帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，同時向現(xiàn)場其他作業(yè)人員以及遠(yuǎn)程監(jiān)測端發(fā)出預(yù)警信號。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)危險(xiǎn)區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測終端、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程監(jiān)控端、繼電器控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1，在ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上組建本系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)共同構(gòu)成了監(jiān)測系統(tǒng)的信號傳輸網(wǎng)絡(luò)。如圖1，監(jiān)測終端被固定在帶式輸送機(jī)危險(xiǎn)區(qū)的前部，通過熱紅外成像的方式實(shí)時監(jiān)測帶式輸送機(jī)危險(xiǎn)區(qū)的前部。當(dāng)作業(yè)人員跌落到帶式輸送機(jī)輸送帶上并經(jīng)過監(jiān)測終端所掃描的區(qū)域時，監(jiān)測終端就會通過控制繼電器對帶式輸送機(jī)電控箱進(jìn)行斷電處理，帶式輸送機(jī)就能夠停止工作。此外，監(jiān)測終端通過自帶的信號燈與警笛對現(xiàn)場作業(yè)人員發(fā)出預(yù)警信號，同時監(jiān)測終端會將預(yù)警信號傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將信號轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控端通過加入現(xiàn)有的基礎(chǔ)以太網(wǎng)絡(luò)就能夠收到預(yù)警信號，進(jìn)而能夠及時采取相應(yīng)處理措施，降低事故造成的損失。

圖1 監(jiān)測終端硬件功能框圖

2 監(jiān)測終端硬件

監(jiān)測終端硬件電路組成部分包括：主處理器及外圍驅(qū)動電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、功能按鍵電路、繼電器控制電路、MAX3232CSE串口通信電路、編程調(diào)試接口電路、AMG8833熱成像芯片驅(qū)動電路等。主處理器采用支持ZigBee協(xié)議的CC2530芯片，CC2530處理器芯片是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4協(xié)議的片上系統(tǒng)解決方案，其特點(diǎn)是能夠以低成本組建強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[7-8]。監(jiān)測終端掃V描其監(jiān)測區(qū)域的過程主要包括：熱信號采集鏡頭采集熱源信號、AMG8833及其驅(qū)動電路將熱信號處理成主處理器可用的數(shù)字信號。繼電器電路實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測終端集成的信號燈與警笛的控制，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)預(yù)警信號。按鍵電路通過對高低邏輯信號的控制實(shí)現(xiàn)功能切換。MAX3232CSE驅(qū)動電路通過串口通信的方式實(shí)現(xiàn)主處理器和4.2英寸(106.68 mm)工業(yè)液晶屏之間的通信，使得液晶屏能夠顯示監(jiān)測終端剩余電量、工作模式及其它參數(shù)信息。電壓轉(zhuǎn)換電路的作用是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成監(jiān)測終端主板各芯片工作電壓，編程調(diào)試接口電路實(shí)現(xiàn)程序的在線調(diào)試。

2.1 電壓轉(zhuǎn)換部分電路

電壓轉(zhuǎn)換部分電路由LM2596S-5.0芯片及外圍驅(qū)動電路和LM2596S-3.3芯片及其外圍驅(qū)動電路構(gòu)成。LM2576系列電壓轉(zhuǎn)換芯片由美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)，是3 A電流輸出降壓開關(guān)型穩(wěn)壓芯片[9]。LM2576系列電壓轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部集成52 kHz固定頻率振蕩器和1.23 V基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，其內(nèi)部有電流限制與熱關(guān)斷等保護(hù)電路，LM2576系列電壓轉(zhuǎn)換芯片使用簡單的外圍驅(qū)動電路即可構(gòu)建高效的穩(wěn)壓電路。

電壓轉(zhuǎn)換部分電路原理圖如圖2，其中5 V電壓生成電路使用的芯片為LM2596S-5.0，3.3 V電壓生成電路使用的芯片為LM2596S-3.3。LM2596S-5.0芯片及其外圍驅(qū)動電路的組成包括：1個470 μF/35 V的極性電容，2個 0.1 μF的貼片電容，1個 220 μF/25 V的貼片電容，1個型號為IN5825的二極管，1個68 μH的電感，1個0 Ω電阻。LM2596S-3.3芯片外圍驅(qū)動電路的組成與LM2596S-5.0相同。3.3 V與5 V電壓為監(jiān)測終端各原器件供電。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.2 紅外熱成像電路

AMG8833芯片及其外圍驅(qū)動電路原理圖如圖3，AMG8833是8×8陣列的紅外熱像儀傳感器，其與主處理器間的通信方式為I2C，通過I2C通信AMG8833可為微處理器提供1組64個獨(dú)立的紅外溫度數(shù)字信號[10-11]。AMG8833的溫度測量范圍為0～80℃，精度為2.5℃，AMG8833的最大檢測距離是7 m，熱圖像的最大幀頻為10 Hz。AMG8833在實(shí)現(xiàn)紅外人體探測器方面優(yōu)勢明顯。

AMG8833的工作電壓是 3.3 V，SDA_3V與SCL_3V構(gòu)成了AMG8833的I2C數(shù)據(jù)通信引腳，INT是可配置的中斷引腳[11]。AMG8833的外圍驅(qū)動電路包括：2個10 kΩ的電阻、1個22Ω的電阻、4個普通電容（電容值分別為：0.1、1、2.2、10 μF）。利用AMG8833對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行不間斷掃描，當(dāng)作業(yè)人員跌入帶式輸送機(jī)皮，經(jīng)過監(jiān)測區(qū)域就會產(chǎn)生預(yù)警信息，并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將熱源信號與預(yù)警信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測端。

圖3 AMG8833驅(qū)動電路原理圖

2.3 繼電器控制電路

監(jiān)測終端中集成的信號燈與警笛，以及對帶式輸送機(jī)電控箱的狀態(tài)控制都需要繼電器控制電路，繼電器控制電路原理圖如圖4，由圖4可知，繼電器控制電路包括：1個IN4148二極管、1個S8050三極管、繼電器、電阻等。繼電器由S8050三極管驅(qū)動，硬件終端開機(jī)初始化后，引腳P1.2為高電平狀態(tài)，+5 V的電源通過使三極管導(dǎo)通。因而正常狀態(tài)下，開機(jī)后繼電器處在吸合狀態(tài)。當(dāng)拉低引腳P1.2電平，三極管S8050的基極就會被拉低到低電平狀態(tài)，三極管S8050就會截止，從而繼電器就會斷電釋放。每一個繼電器都有常開常閉接點(diǎn)，以便控制其它電路。二極管IN4148與繼電器線圈反向并聯(lián)能夠吸收反向電動勢，可以起到保護(hù)三極管S8050的作用。

圖4 繼電器控制電路原理圖

2.4 串口通信電路

液晶接口與串口通信電路原理圖如圖5，其中H1為液晶部分引出的接口，U3為串口通信采用的芯片MAX3232CSE。MAX3232CSE外圍驅(qū)動電路組成包括4個0.1 μF的電容，MAX3232CSE引腳、封裝以及功能與MAX242及MAX232兼容，其包含2路的驅(qū)動器以及接收器，并且提供1 μA的關(guān)斷模式。工作在關(guān)斷模式，接收器能夠保持有效的狀態(tài)，并且能夠?qū)ν獠康脑O(shè)計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，僅需1 μA電源電流。即便是在高數(shù)據(jù)速率下工作，MAX3232CSE依舊可以保持著RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)的要求。通過MAX3232CSE串口通信芯片，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測終端主處理器與液晶之間的通信。圖5 H1為液晶通信串口調(diào)試端口。引出輸入、輸出、電源與地共6個端口，為液晶提供數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)對液晶的驅(qū)動，并與MAX3232CSE協(xié)同工作下實(shí)現(xiàn)對液晶的顯示和觸摸控制。

圖5 液晶接口與串口通信電路原理圖

3 監(jiān)測終端軟件工作流程

監(jiān)測終端通過熱紅外成像的方式不間斷掃描監(jiān)測區(qū)域，與此同時實(shí)現(xiàn)將采集的紅外信號轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程監(jiān)測端。監(jiān)測終端主處理器為CC2530，該芯片由德州儀器生產(chǎn)，具有收發(fā)機(jī)和增強(qiáng)型51MCU[12]。監(jiān)測終端軟件系統(tǒng)在CC2530的基礎(chǔ)上，運(yùn)行Zstack協(xié)議棧，并運(yùn)行終端軟件的應(yīng)用程序。監(jiān)測終端的工作流程如圖6。

監(jiān)測終端上電運(yùn)行后，先執(zhí)行終端硬件初始化程序，包括：AD、定時器、串口通信的初始化、液晶屏的初始化、AMG8833的初始化等；接著運(yùn)行Zstack協(xié)議棧初始化程序，初始化ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并加入組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)；然后運(yùn)行終端應(yīng)用程序，開辟數(shù)據(jù)存儲區(qū)域；運(yùn)行紅外掃描監(jiān)測區(qū)域程序，獲取掃描區(qū)域紅外數(shù)字信號，并刷新液晶顯示屏；當(dāng)掃描到人體熱源信號時，監(jiān)測終端利用繼電器電路，控制帶式輸送機(jī)電控箱關(guān)閉帶式輸送機(jī)，同時利用自身集成的警笛和預(yù)警燈向現(xiàn)場其他作業(yè)人員發(fā)出預(yù)警信號，此外將預(yù)警信號和采集到的熱成像信號轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測端，以便采取應(yīng)對措施，降低事故造成的損失。若未監(jiān)測到人體熱源信號，則監(jiān)測終端通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將采集的熱成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)測端，同時監(jiān)測終端執(zhí)行按鍵或液晶屏觸發(fā)事件，并繼續(xù)執(zhí)行液晶屏刷新程序，進(jìn)行下一次掃描區(qū)紅外信號采集。

圖6 監(jiān)測終端軟件工作流程

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了儲煤場帶式輸送機(jī)危險(xiǎn)區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)，在CC2530處理器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測終端，在硬件方面包括電壓轉(zhuǎn)換電路、AMG8833熱成像驅(qū)動電路、繼電器電路、串口通信電路等的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在軟件方面包括熱力圖像的采集與處理、預(yù)警信號轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)、繼電器控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)等的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。