基于物联网的煤矿安全生产用LED智能化照明系统

摘要

本发明公开了一种基于物联网的煤矿安全生产用LED智能化照明系统，包括电源模块、处理器模块、蓝牙模块、ZIGBEE模块、LED模块、瓦斯检测模块、微震检测模块、超声波测距模块、警报灯模块、LED照明大灯、瓦斯检测传感器、微震检测传感器和超声波测距传感器；蓝牙模块、ZIGBEE模块、瓦斯检测模块、微震检测模块、超声波测距模块、LED模块和警报灯模块均与处理器模块相连；瓦斯检测传感器与瓦斯检测模块相连，微震检测传感器与微震检测模块相连，超声波测距传感器与超声波测距模块相连；电源模块为系统提供3.3V电源；本发明能够为煤矿安全生产提供安全、可靠的照明，同时其振动、瓦斯泄露检测能够为煤矿生产提供安全警报，保证煤矿生产作业的安全。

说明书

技术领域

本发明涉及智能化照明技术领域，尤其涉及一种基于物联网的煤矿安全生产用LED智能化照明系统。

背景技术

煤炭作为我国重要能源，其安全生产历来受到重视。建设可靠、快速、灵活和高覆盖的井下环境监测系统是实现安全生产的重要保证。对井下环境进行检测，常见的被检测环境参数包括了瓦斯、一氧化碳等有害气体浓度和矿山顶板、支架的压力等。对井下环境进行广泛而细致的检测，是保证井下环境安全的重要前提。但是，在相当长的时间里，这种传感器网络往往受限于有线网络的结构固定、维护困难等缺陷，极易影响环境监测的效果。同时一样受到有线布设的这些缺陷困扰的，也包括了井下照明系统。井下照明也是井下环境因素中的重要一环，但是由于有线布设的缺陷，井下照明系统一般也面临着智能程度低、能源消耗大、环境舒适性差的缺点。同时，有线系统因为线路老化等，极易对矿井安全造成严重威胁。有线系统在煤矿井下这种特殊的应用环境中所暴露的缺点弊端越来越多。

发明内容

本发明针对现有煤矿生产用照明系统的不足，提供一种基于物联网的煤矿安全生产用LED智能化照明系统，该系统建立一个集照明、微震检测、ZIGBEE无线通讯、蓝牙通讯等功能于一体的，可以做到人性化照明、实时监测、及时报警的无线智能照明系统。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种基于物联网的煤矿安全生产用LED智能化照明系统，包括电源模块、处理器模块、蓝牙模块、ZIGBEE模块、LED模块、瓦斯检测模块、微震检测模块、超声波测距模块、警报灯模块、LED照明大灯、瓦斯检测传感器、微震检测传感器和超声波测距传感器；所述蓝牙模块、ZIGBEE模块、瓦斯检测模块、微震检测模块和超声波测距模块均通过串口与处理器模块相连；LED模块和警报灯模块均通过I/O口与处理器模块相连；瓦斯检测传感器与瓦斯检测模块相连，微震检测传感器与微震检测模块相连，超声波测距传感器与超声波测距模块相连；电源模块为系统提供3.3V电源；

所述电源模块包括电源芯片U1、非极性电容C20、极性电容C28；其中，电源芯片U1的输入端口接5V电源；电源芯片U1的接地端口接地；电源芯片U1的输出端口输出3.3V电源；极性电容C28的正极和非极性电容C20的一端相连后与电源芯片U1的输出端口相连；极性电容C28的负极和非极性电容C20的另一端均接地；

所述处理器模块包括处理器芯片U0，非极性电容C1、C4、C5、C29，晶振Y1，电感L2、L3和蜂鸣器LS1；其中，处理器芯片U0的第一接地端口、第二接地端口、第三接地端口、第四接地端口、第五接地端口、第六接地端口均接地；处理器芯片U0的第一电源端口、第二电源端口、第三电源端口、第四电源端口、第五电源端口均接3.3V电源；电感L3的一端接3.3V电源，电感L3的另一端、非极性电容C1的一端和非极性电容C29的一端均与处理器芯片U0的电压校准端口相连；非极性电容C1的另一端、非极性电容C29的另一端和电感L2的一端均与处理器芯片U0的模拟地接口相连；电感L2的另一端接地；晶振Y1的一端和非极性电容C4的一端相连后与处理器芯片U0的振荡输出端口相连，晶振Y1的另一端和非极性电容C5的一端相连后与处理器芯片U0的振荡输入端口相连；非极性电容C4和非极性电容C5的另一端均接地；蜂鸣器LS1的一端与处理器芯片U0的蜂鸣器控制端口相连，另一端接5V电源；

所述蓝牙模块包括蓝牙芯片U4，电阻R12、R17、R18，发光二极管D1、D5、非极性电容C13和极性电容C14；其中，电阻R12的一端接3.3V电源，另一端接蓝牙芯片U4的使能端口，蓝牙芯片U4的使能端口和处理器芯片U0的使能控制端口相连；电阻R17的一端接蓝牙芯片U4的I/O端口，另一端接发光二极管D5的正极，发光二极管D5的负极接地；电阻R18的一端接蓝牙芯片U4的I/O端口，另一端接发光二极管D1的正极，发光二极管D1的负极接地；蓝牙芯片U4的电源端口接3.3V电源，蓝牙芯片U4的第一接地端口、第二接地端口、第三接地端口均接地；蓝牙芯片U4的数据发送端口接处理器芯片U0的蓝牙数据接收端口，蓝牙芯片U4的数据接收端口接处理器芯片U0的蓝牙数据发送端口；非极性电容C13的一端和极性电容C14的正极均接3.3V电源，非极性电容C13的另一端和极性电容C14的负极均接地；

所述ZIGBEE模块包括ZIGBEE芯片U3，电阻R16、R26、R27；其中，ZIGBEE芯片U3的接地端口接地，电源端口接3.3V电源；电阻R16的一端和电阻R26的一端均接3.3V电源，电阻R16的另一端接ZIGBEE芯片U3的比较电压端口；电阻R26的另一端接ZIGBEE芯片U3的使能控制端口；ZIGBEE芯片U3的使能控制端口与处理器芯片U0的ZIGBEE使能控制端口相连；电阻R27的一端接3.3V电源，另一端接ZIGBEE芯片U3的复位端口，ZIGBEE芯片U3的复位端口和处理器芯片U0的ZIGBEE复位端口相连；ZIGBEE芯片U3的数据接收端口接处理器芯片U0的ZIGBEE数据发送端口；ZIGBEE芯片U3的数据发送端口接处理器芯片U0的ZIGBEE数据接收端口；

所述LED模块包括电阻R11、R13-R15、R23、发光二极管D12-D14、三极管Q6、Q8、Q9、Q11、MOS管Q10和肖特基二极管D11；其中，电阻R13的一端接处理器芯片U0的PWM波输出端口，另一端和电阻R15的一端相连后与三极管Q6的基极相连；三极管Q6的集电极分别与电阻R11的一端、发光二极管D12的负极以及三极管Q9的基极相连；发光二极管D12的正极与三极管Q9的发射极相连后分别与三极管Q8和三极管Q11的基极相连；三极管Q8的发射极分别与发光二极管D13的负极、电阻R23的一端以及三极管Q11的发射极相连；发光二极管D13的正极、电阻R23的另一端、电阻R14的一端和MOS管Q10的栅极相连于一点；MOS管Q10的漏极与发光二极管D14的负极相连后与LED照明大灯相连；肖特基二极管D11的正极与MOS管Q10的源极相连，肖特基二极管D11的负极与MOS管Q10的漏极相连；电阻R11的另一端、三极管Q9的集电极和三极管Q8的集电极均与3.3V电源相连；电阻R15的另一端、三极管Q6的发射极、三极管Q11的集电极、电阻R14的另一端、MOS管Q10的源极、和发光二极管D14的正极均接地；

所述微震检测模块为接插件JP1；其中，接插件JP1的数据传输端口接处理器芯片U0的微震检测数据端口；接插件JP1的接地端口接地；接插件JP1的电源端口接3.3V电源；

所述瓦斯检测模块为接插件JP2；其中，接插件JP2的数据接收端口接处理器芯片U0的瓦斯检测数据发送端口；接插件JP2的数据发送端口接处理器芯片U0的瓦斯检测数据接收端口；接插件JP2的电源端口接3.3V电源；接插件JP2的第一接地端口、第二接地端口均接地；

所述超声测距模块包括接插件JP3、非极性电容C48和电阻R29；其中，接插件JP3的第一电源端口、第二电源端口均接5V电源；接插件JP3的接地端口接地；电阻R29的一端和非极性电容C48的一端相连后与接插件JP3的数据采样端口相连；电阻R29的另一端和非极性电容C48的另一端均接地；接插件JP3的数据采样端口与处理器芯片U0的超声检测数据采样端口相连；

所述警报灯模块包括发光二极管D15-D17，电阻R28、R30、R31；其中，电阻R28的一端接3.3V电源，另一端接发光二极管D15的正极，发光二极管D15的负极接处理器芯片U0的红色灯控制端口；电阻R30的一端接3.3V电源，另一端接发光二极管D16的正极，发光二极管D16的负极接处理器芯片U0的黄色灯控制端口；电阻R31的一端接3.3V电源，另一端接发光二极管D17的正极，发光二极管D17的负极接处理器芯片U0的蓝色灯控制端口。

与背景技术相比，本发明的有益效果是：

1、传统的煤矿生产照明系统采用有线控制的方式，在开关灯瞬间容易产生电火花，对煤矿安全生产而言这是极大的隐患。而本发明利用嵌入式处理器实现灯光强度的渐变，以人眼不易察觉的方式逐渐改变灯光亮度，避免电火花的产生。

2、传统的煤矿生产照明系统需要人为控制开关、光强，不仅操作复杂也不可避免的造成了能源浪费。而本发明可以根据周围是否有人以及距离远近智能控制开关、调整亮度：一旦有人接近，将根据接近距离进行判断并自动调节亮度，越接近亮度越强，实现渐变效果给人以舒适环境；一旦人员离开，也将根据远离距离自动渐变式降低亮度自至关闭。

3、传统的煤矿生产照明系统不具备危险警报的功能，本发明通过系统外接的微震检测传感器、瓦斯检测传感器，能够及时检测到煤矿生产环境中的安全隐患，并及时以不同颜色的灯光发出提醒，保证了煤矿生产的安全。

附图说明

图1是本发明专利的系统模块结构示意图；

图2是系统电源模块电路图；

图3是系统处理器模块电路图；

图4是系统蓝牙模块电路图；

图5是系统ZIGBEE模块电路图；

图6是系统LED模块电路图；

图7是系统微震检测模块电路图；

图8是系统瓦斯检测模块电路图；

图9是系统超声测距模块电路图；

图10是系统警报灯模块电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的一种基于物联网的煤矿安全生产用LED智能化照明系统，包括电源模块、处理器模块、蓝牙模块、ZIGBEE模块、LED模块、瓦斯检测模块、微震检测模块、超声波测距模块、警报灯模块、LED照明大灯、瓦斯检测传感器、微震检测传感器和超声波测距传感器；所述蓝牙模块、ZIGBEE模块、瓦斯检测模块、微震检测模块和超声波测距模块均通过串口与处理器模块相连；LED模块和警报灯模块均通过I/O口与处理器模块相连；瓦斯检测传感器与瓦斯检测模块相连，微震检测传感器与微震检测模块相连，超声波测距传感器与超声波测距模块相连；电源模块为系统提供3.3V电源；所述微震检测传感器可选用型号为SW-420系列的产品，但不限于此；所述瓦斯检测传感器可以选用型号为TGS2600的产品，但不限于此；所述超声测距传感器可选用型号为US100的产品，但不限于此。

如图2所示，所述电源模块包括电源芯片U1、非极性电容C20、极性电容C28；其中，电源芯片U1的输入端口(端口1)接5V电源；电源芯片U1的接地端口(端口2)接地；电源芯片U1的输出端口(端口3)输出3.3V电源；极性电容C28的正极和非极性电容C20的一端相连后与电源芯片U1的输出端口(端口3)相连；极性电容C28的负极和非极性电容C20的另一端均接地；所述电源芯片U1可以采用型号为ASM1117—3.3的产品，但不限于此。

如图3所示，所述处理器模块包括处理器芯片U0，非极性电容C1、C4、C5、C29，晶振Y1，电感L2、L3和蜂鸣器LS1；其中，处理器芯片U0的第一接地端口(端口10)、第二接地端口(端口27)、第三接地端口(端口49)、第四接地端口(端口74)、第五接地端口(端口94)、第六接地端口(端口99)均接地；处理器芯片U0的第一电源端口(端口11)、第二电源端口(端口28)、第三电源端口(端口50)、第四电源端口(端口75)、第五电源端口(端口100)均接3.3V电源；电感L3的一端接3.3V电源，电感L3的另一端、非极性电容C1的一端和非极性电容C29的一端均与处理器芯片U0的电压校准端口(端口22)相连；非极性电容C1的另一端、非极性电容C29的另一端和电感L2的一端均与处理器芯片U0的模拟地接口(端口19)相连；电感L2的另一端接地；晶振Y1的一端和非极性电容C4的一端相连后与处理器芯片U0的振荡输出端口(端口13)相连，晶振Y1的另一端和非极性电容C5的一端相连后与处理器芯片U0的振荡输入端口(端口12)相连；非极性电容C4和非极性电容C5的另一端均接地；蜂鸣器LS1的一端与处理器芯片U0的蜂鸣器控制端口(端口38)相连，另一端接5V电源；所述处理器芯片U0可以采用意法半导体公司生产的型号为STM32F103VET6的产品，但不限于此。

如图4所示，所述蓝牙模块包括蓝牙芯片U4，电阻R12、R17、R18，发光二极管D1、D5、非极性电容C13和极性电容C14；其中，电阻R12的一端接3.3V电源，另一端接蓝牙芯片U4的使能端口(端口34)，蓝牙芯片U4的使能端口(端口34)和处理器芯片U0的使能控制端口(端口24)相连；电阻R17的一端接蓝牙芯片U4的I/O端口(端口31)，另一端接发光二极管D5的正极，发光二极管D5的负极接地；电阻R18的一端接蓝牙芯片U4的I/O端口(端口32)，另一端接发光二极管D1的正极，发光二极管D1的负极接地；蓝牙芯片U4的电源端口(端口12)接3.3V电源，蓝牙芯片U4的第一接地端口(端口13)、第二接地端口(端口21)、第三接地端口(端口22)均接地；蓝牙芯片U4的数据发送端口(端口1)接处理器芯片U0的蓝牙数据接收端口(端口26)，蓝牙芯片U4的数据接收端口(端口2)接处理器芯片U0的蓝牙数据发送端口(端口25)；非极性电容C13的一端和极性电容C14的正极均接3.3V电源，非极性电容C13的另一端和极性电容C14的负极均接地；所述蓝牙芯片U4可以采用HC-05系列芯片，但不限于此。

如图5所示，所述ZIGBEE模块包括ZIGBEE芯片U3，电阻R16、R26、R27；其中，ZIGBEE芯片U3的接地端口(端口2)接地，电源端口(端口4)接3.3V电源；电阻R16的一端和电阻R26的一端均接3.3V电源，电阻R16的另一端接ZIGBEE芯片U3的比较电压端口(端口17)；电阻R26的另一端接ZIGBEE芯片U3的使能控制端口(端口9)；ZIGBEE芯片U3的使能控制端口(端口9)与处理器芯片U0的ZIGBEE使能控制端口(端口70)相连；电阻R27的一端接3.3V电源，另一端接ZIGBEE芯片U3的复位端口(端口18)，ZIGBEE芯片U3的复位端口(端口18)和处理器芯片U0的ZIGBEE复位端口(端口14)相连；ZIGBEE芯片U3的数据接收端口(端口6)接处理器芯片U0的ZIGBEE数据发送端口(端口68)；ZIGBEE芯片U3的数据发送端口(端口8)接处理器芯片U0的ZIGBEE数据接收端口(端口69)；所述ZIGBEE芯片可采用顺舟公司SZ05系列芯片，但不限于此。

如图6所示，LED模块包括电阻R11、R13-R15、R23、发光二极管D12-D14、三极管Q6、Q8、Q9、Q11、MOS管Q10和肖特基二极管D11；其中，电阻R13的一端接处理器芯片U0的PWM波输出端口(端口63)，另一端和电阻R15的一端相连后与三极管Q6的基极相连；三极管Q6的集电极分别与电阻R11的一端、发光二极管D12的负极以及三极管Q9的基极相连；发光二极管D12的正极与三极管Q9的发射极相连后分别与三极管Q8和三极管Q11的基极相连；三极管Q8的发射极分别与发光二极管D13的负极、电阻R23的一端以及三极管Q11的发射极相连；发光二极管D13的正极、电阻R23的另一端、电阻R14的一端和MOS管Q10的栅极相连于一点；MOS管Q10的漏极与发光二极管D14的负极相连后与LED照明大灯相连；肖特基二极管D11的正极与MOS管Q10的源极相连，肖特基二极管D11的负极与MOS管Q10的漏极相连；电阻R11的另一端、三极管Q9的集电极和三极管Q8的集电极均与3.3V电源相连；电阻R15的另一端、三极管Q6的发射极、三极管Q11的集电极、电阻R14的另一端、MOS管Q10的源极、和发光二极管D14的正极均接地。

如图7所示，所述微震检测模块为接插件JP1；其中，接插件JP1的数据传输端口(端口1)接处理器芯片U0的微震检测数据端口(端口46)；接插件JP1的接地端口接地；接插件JP1的电源端口接3.3V电源。

如图8所示，所述瓦斯检测模块为接插件JP2；其中，接插件JP2的数据接收端口(端口2)接处理器芯片U0的瓦斯检测数据发送端口(端口47)；接插件JP2的数据发送端口(端口3)接处理器芯片U0的瓦斯检测数据接收端口(端口48)；接插件JP2的电源端口(端口1)接3.3V电源；接插件JP2的第一接地端口(端口4)、第二接地端口(端口5)均接地。

如图9所示，所述超声测距模块包括接插件JP3、非极性电容C48和电阻R29；其中，接插件JP3的第一电源端口(端口3)、第二电源端口(端口4)均接5V电源；接插件JP3的接地端口(端口1)接地；电阻R29的一端和非极性电容C48的一端相连后与接插件JP3的数据采样端口(端口2)相连；电阻R29的另一端和非极性电容C48的另一端均接地；接插件JP3的数据采样端口(端口2)与处理器芯片U0的超声检测数据采样端口(端口32)相连。

如图10所示，所述警报灯模块包括发光二极管D15-D17，电阻R28、R30、R31；其中，电阻R28的一端接3.3V电源，另一端接发光二极管D15的正极，发光二极管D15的负极接处理器芯片U0的红色灯控制端口(端口43)；电阻R30的一端接3.3V电源，另一端接发光二极管D16的正极，发光二极管D16的负极接处理器芯片U0的黄色灯控制端口(端口44)；电阻R31的一端接3.3V电源，另一端接发光二极管D17的正极，发光二极管D17的负极接处理器芯片U0的蓝色灯控制端口(端口45)。

本发明专利的工作过程如下：微震检测传感器、超声检测传感器和瓦斯检测传感器对周围环境进行实时监测并将检测到的数据传输给处理器模块，处理器模块对三个传感器数据进行分析后控制LED照明大灯的亮度：在无人状态下LED照明大灯处于关闭状态，一旦有人接近，超声检测传感器检测到人靠近，并根据距离-亮度转换公式L＝(1-S/450)*100％(L为灯光亮度，S为人的距离，L为1时灯最亮，L为0时灯灭)自动调节亮度，越接近亮度越强，实现渐变效果给人以舒适环境；一旦人员离开，也将根据远离距离自动渐变式降低亮度自至关闭；瓦斯检测传感器一旦检测到瓦斯浓度超过警报值，处理器模块控制发光二极管D16闪烁以示警告；一旦检测到瓦斯浓度超过危险值，处理器模块控制发光二极管D15闪烁以示报警，并控制蜂鸣器辅助声音报警；微震检测传感器一旦检测到振动，处理器模块控制发光二极管D17闪烁以示警告，并将该异常信号通过ZIGBEE模块发送到数据中心以进一步判别。同时该系统的蓝牙模块还可用于与智能手机交互数据并设置LED照明大灯的亮度。