基于单片机的智能矿灯设计与实现

AbstractSTYLEREF"标题1"目录绪论1.1研究背景和意义煤炭作为全球主要能源之一，其开采安全不仅与能源供应的稳定相关，也与矿工生命安全的保障存在极为重的重性，在传统矿井监测中，矿工依赖原始方法对危险进行预判，比如观察老鼠、蟑螂等动物在矿井内行为的异常。甚至将金丝雀带入井下作为警示，当有害气体浓度升高时，金丝雀会首先出现不适症状甚至死亡，使矿工迅速撤离，这些简单直观的监测形式，科学性与准确性极为有限，安全保障性也存在相当的缺陷REF_Ref7571\r\h[1]。工业技术的演进使20世纪中期出现专门的煤矿安全检测设备，如便携式甲烷检测仪与一氧化碳报警器等，这些设备不仅功能单一且体积偏重，巡检需要专人定时进行，难以达到实时监测。1990年代矿灯开始增加基础安全监测功能，如气体浓度检测和报警功能，但精度低、误报率高，数据无法实时传输等问题并存，早期集成式矿灯使用模拟电路设计，抗干扰能力弱，数据采集仅限本地存储，有效的安全预警网络无法形成REF_Ref7858\r\h[2]。现代矿井环境存在多重隐患，高温、高湿和有毒气体等风险并存，深部矿井的温度常在35℃以上，湿度达90%RH左右，甲烷浓度处于5%-16%区间时极易引发爆炸，其威胁性不言而喻。传统矿灯仅作为照明使用，部分早期集成了安全监测功能的产品，数据采集方式也主要为现场读取或有限距离的无线传输，信息共享的滞后性与应急响应的迟缓性，使相关隐患处理处于不完全控制的阶段。当前单片机技术、传感器技术和物联网技术的迅速发展为智能矿灯提供了新的技术支撑，STM32F103此类高性能单片机可处理多路传感器数据并执行复杂运算；DHT11、MQ-4等传感器技术可更准确采集环境参数；4G通信模块可完成矿井深处可靠数据传输，本设计基于这些技术优势构建了一个集环境监测、自动控制、远程报警于一体的智能矿灯系统REF_Ref19311\r\h[3]。本设计创新性地使用STM32F103单片机作为核心控制器，对传统模拟电路设计进行完全的升级，多传感器协同工作机制替代了单一参数监测模式。通过ML307R4G模块处理深井通信障碍问题REF_Ref19422\r\h[4]．，克服WiFi覆盖范围有限的缺陷，阿里云物联网平台的引入实现了数据云存储与远程监控REF_Ref19614\r\h[5]．，传统矿灯数据孤岛局限不复存在，市场上商用智能矿灯动辄上千元，本系统成本在300元左右REF_Ref19761\r\h[6]．，推广门槛降低，普及可能性提高。本研究的矿井安全预警能力提升显著，系统监测环境参数实时，甲烷浓度超标等异常情况一发生，声光报警启动且远程警报发送，为矿工和管理人员争取应急时间。人体感应状态可使自动照明功能调节照明，智能化程度提升且能源节约，阿里云物联网平台助力系统完成数据采集、传输到分析的链条，煤矿安全生产管理数据支持，安全管理模式从被动应对到主动预防转变，煤矿事故发生率降低，煤矿行业的安全生产与可持续发展技术保障REF_Ref19863\r\h[7]．。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状煤矿安全监测技术经历了从简单机械设备到智能化系统的演变过程。早期，国外煤矿主要采用携带式气体检测仪和静态监测站进行安全监测，这些设备功能单一，检测参数有限，且多为点式监测，无法实现全覆盖监控REF_Ref19961\r\h[8]．。20世纪90年代起，欧美国家开始研发集成化矿灯监测设备。美国MSHA（矿业安全与健康管理局）推行的早期监测系统采用有线通信方式，虽然数据传输稳定，但线缆铺设成本高，且在复杂矿井环境中易受损，维护困难。澳大利亚Impala公司开发的UWB定位矿灯虽然定位精度高达0.3米，但其信号在矿井环境中穿透能力有限，且必须配合专用基站使用，导致系统部署成本超过5000美元/套，难以在中小型矿井推广REF_Ref20039\r\h[9]．。德国西门子的LTE-M井下专网系统虽然解决了长距离通信问题，但该系统要求矿井内建设专用通信基础设施，初期投资超过百万美元，且信号在深部矿井中仍存在覆盖死角。英国开发的ZigBeemesh网络矿灯系统通过自组网方式扩大覆盖范围，但其250kbps的传输速率难以满足视频传输等高带宽需求，且在高湿度环境中信号衰减严重REF_Ref20108\r\h[10]．。在数据处理方面，欧美矿灯系统多采用本地存储与定时上传模式，数据实时性不足，且缺乏对矿井环境参数的综合分析能力。这些系统虽然技术先进，但多针对大型煤矿企业设计，单套成本通常超过1500美元，不符合中小型矿企的经济实用需求。1.2.2国内研究现状我国矿灯安全监测技术起步相对较晚，但近年来发展迅速。早期主要引进国外技术，如采用RS-485总线的有线监测系统，这类系统布线复杂，维护成本高，且扩展性差。随后，国内研究机构开始探索无线通信技术在矿井监测中的应用REF_Ref20235\r\h[11]．。中国煤科研发的KJ90X型矿灯采用2.4GHz短距离无线通信，虽然避免了线缆铺设，但其传输距离仅有100-200米，且在高粉尘环境中稳定性差。华为与中国煤科联合研发的早期WiFi矿灯系统虽然提高了数据传输速率REF_Ref20346\r\h[12]．，但WiFi信号在矿井复杂环境中覆盖不均，且需要大量接入点支持，增加了部署难度和成本。在传感器应用方面，国内研究多集中于单一参数监测，如仅检测甲烷或一氧化碳，缺乏环境参数的综合监测能力。中煤科工集团的生物传感矿灯虽能监测矿工生理状态，但其单价高达2000元以上，普及应用困难REF_Ref20418\r\h[13]．。在数据管理方面，国内多数矿灯系统采用封闭式架构，数据只能在专用软件中查看，缺乏开放接口与云平台对接能力，导致数据孤岛现象普遍。山西焦煤集团的矿灯管理系统虽实现了数据集中存储，但其私有协议设计使跨平台数据共享变得困难REF_Ref20499\r\h[14]．。1.2.3现有技术的不足与本设计的特点通过对国内外研究现状的分析，现有智能矿灯系统主要存在以下不足：1.通信方式限制：有线系统铺设成本高，维护复杂；WiFi覆盖范围有限，需大量接入点；ZigBee传输速率低；UWB穿透能力差。这些通信方式难以满足矿井深部、广域覆盖的需求REF_Ref20568\r\h[15]．。2.传感器集成度不足：多数系统仅关注单一危险参数，如甲烷或一氧化碳，缺乏对温湿度等环境参数的综合监测。3.数据处理能力有限：现有系统多采用简单阈值报警，缺乏数据关联分析能力，预警效果有限。4.成本高昂：高端矿灯系统单套价格通常在1500-5000美元，不符合中小型矿企的经济性要求REF_Ref20633\r\h[16]．。5.平台封闭：多数系统采用封闭架构，数据难以与其他系统共享与集成。针对上述问题，本设计有以下特点：1.采用4G通信技术：本设计使用ML307R4G模块，相比WiFi和ZigBee，4G网络覆盖更广，信号穿透能力更强，无需额外基础设施即可实现深井通信；相比UWB专网，显著降低了系统部署成本。2.多参数综合监测：集成温湿度、甲烷浓度、人体感应等多种传感器，实现环境参数全面监测，为安全预警提供多维数据支持。3.阿里云物联网平台集成：本系统与阿里云物联网平台对接，实现数据云端存储与分析，突破了传统系统数据孤岛的局限，支持多设备数据关联分析与远程监控REF_Ref20960\r\h[17]．。4.成本优化：通过选用性价比高的传感器与控制器，系统成本控制在300元左右，相比国内外同类产品降低了80%以上，大幅提高了普及可能性。5.开放式架构：基于标准MQTT协议与阿里云平台对接，支持与第三方系统集成，数据可被其他安全管理系统引用，提高了系统扩展性REF_Ref21012\r\h[18]．。本设计在保证核心功能的前提下，通过4G通信技术和云平台集成，有效解决了现有矿灯系统在通信覆盖、数据共享和成本控制方面的不足，提供了一种经济、实用、开放的智能矿灯解决方案，特别适合中小型矿企应用。1.3研究内容设计一套以STM32F103单片机为技术核心的智能矿灯系统架构；融合温湿度传感、甲烷浓度检测、人体感应激活、光照调节以及远程警报等多项功能模块形成统一整体；处理涵盖数据采集与解析、状态可视化、运行调控、报警触发以及远端通信等多类操作任务；设置自动和手动两种操控模式以满足不同场景的灵活适配需求；调整用户交互界面的布局逻辑并提升视觉效果，使矿井作业人员能够便捷操作；开展设备调试工作并对性能参数进行详细测评验证。1.4文章结构安排本文共分为六章，各章内容安排如下：第一章绪论。阐述了智能矿灯的研究背景和意义，分析了国内外研究现状，指出了现有技术的不足，并明确了本文的研究内容与目标。第二章功能与设计方案。详细介绍了系统的功能需求和整体设计方案，对比分析了各硬件模块的选型方案，包括单片机模块、温湿度检测模块、通信模块、显示模块、甲烷检测模块以及人体红外模块等，并论证了最终选择的合理性。第三章系统的硬件设计。重点阐述了以STM32F103为核心的硬件系统设计，分别介绍了各功能模块的电路设计与接口定义，包括微控制器、OLED显示模块、人体红外传感模块、甲烷传感器模块、温湿度传感模块、报警模块、通信模块及按键模块等，最后给出了系统的总体电路图。第四章系统的软件设计。介绍了基于Keil5开发环境的软件设计过程，通过流程图详细阐述了主程序及各子程序的工作原理，包括按键处理、显示控制、数据检测等功能模块的实现方法，同时介绍了系统与阿里云物联网平台的对接以及移动应用的开发过程。第五章系统的测试。描述了系统的软硬件调试过程及测试结果，包括人体检测功能、温度检测功能、甲烷检测功能等核心功能的现场测试展示，验证了系统的可靠性与有效性。第六章结论。总结了本文的研究成果，分析了系统的创新点和应用价值，指出了现有系统的不足之处，并对未来的改进方向提出了展望。2功能与设计方案2功能与设计方案2.1系统功能要求2.1.1需求分析煤矿井下作业环境存在诸多安全隐患，其特殊性与危险性要求开发一套综合性监测与预警系统。矿井内甲烷气体广泛存在，当其浓度达到5%-16%区间时极易引发爆炸事故，直接威胁矿工生命安全；同时深部矿井温度通常超过35℃，湿度高达90%RH左右，这种高温高湿环境不仅降低工作效率，还会导致矿工健康损害。传统矿灯照明系统缺乏智能控制，持续开启状态造成能源浪费，且电池寿命有限；更为关键的是，现有矿灯缺乏有效的应急求助机制，当事故发生时，矿工难以迅速向外界传递求助信息，延误救援时机。此外，传统矿灯监测数据仅能本地读取，无法实时传输至地面管理中心，形成信息孤岛，导致安全态势感知不足与应急决策延迟；加之煤矿作业环境复杂多变，单一工作模式的设备难以适应不同工况需求。基于这些现实挑战，亟需开发一套集环境监测、智能控制、应急报警与远程通信于一体的智能矿灯系统，构建"多参数监测-智能分析-自动应对-远程预警"的闭环安全保障机制，全方位提升矿井作业安全水平。2.1.2功能要求根据上述需求分析，智能矿灯系统需具备全面的环境监测功能，实时采集矿井内温湿度与甲烷浓度等关键参数，为安全状态评估与预警提供数据基础。系统应配备高清晰度的OLED显示模块，直观呈现各项监测数据与当前工作状态，使矿工能够及时了解周围环境状况。智能矿灯还需实现自动控制能力，通过对比环境参数与预设阈值，自动调节散热、除湿与通风设备工作状态，主动改善作业环境条件。系统应集成人体感应技术，实现智能照明控制，检测到矿工存在时自动开启照明，无人状态下自动关闭灯具，有效延长电池使用时间。作为安全保障核心，系统必须配备完善的报警机制，当环境参数超出安全范围或矿工遇险时，立即触发声光报警并通过无线通信模块向外界发送警报信息，为应急救援争取宝贵时间。矿灯应支持远程通信功能，将监测数据实时上传至云平台，实现远程监控与数据分析，打破信息孤岛局限。系统需设计友好的人机交互界面，提供直观简洁的操作方式，便于矿工快速上手使用。考虑到矿井作业环境的多样性，系统应具备自动与手动两种工作模式，灵活适应不同工况需求，提高系统的实用性与适应性。通过这些功能的有机整合，智能矿灯将成为矿工安全作业的可靠保障，显著降低煤矿安全事故的发生风险。2.2系统设计方案智能矿灯系统的核心控制部分采用单片机，架构上呈现出三层分布，涉及中央控制、数据采集以及执行控制模块，数据于其间贯通流动构建出闭环管理体系在数据采集中集合有温湿度传感器、甲烷传感器、人体红外传感器及按键模块，主要实现环境参数监测与用户指令接收功能，而中央控制依托单片机承担数据加工、逻辑分析、阈值比对和操控方案拟定等工作执行控制层则涵盖显示模块、照明模块、继电器控制模块、蜂鸣器报警模块还有通信模块，履行各类功能指令落实的任务，运行过程中多种传感器持续搜集矿井的温湿度、甲烷浓度与人体状况信息，随后单片机对所得数据整编并与设定数值作比对，在自动模式中依据对比结果调整散热除湿通风设备运行，在手动模式下以按键输入为标准调节设备启停，同时显示模块会对周边情景做出即时呈现，当甲烷浓度触达危险值或者矿工触发一键式报警功能会有蜂鸣声警示，并经由4G模块推送报警通知至特定号码，检测到有矿工即令照明开启，无人员时熄灭灯具节能减耗，此体系还将按时收集的数据上传云平台服务于远程管理留存备用，形成了全面防护且性能高效可靠的集成框架。图2.1系统框图2.3硬件模块选型2.3.1单片机模块的选型方案一：STC89C52STC89C52源于8051单片机家族，带有8位CPU，运行频率至高达到12MHz，内部拥有512字节RAM与8KBFlash存储区域，4组8位并行I/O端口搭配一个全双工串口，能够实现在线系统编程（ISP）和应用中编程（IAP），凭借适中的价格以及丰富的开发资源对初学者十分友好，电路设计简洁促使入门轻松，功耗也处于合理区间内，但这款芯片算力存在约束，速度难以满足苛刻场景需求，连接多个传感器时容易捉襟见肘，内存不足使复杂运算或海量信息处理举步维艰，硬件模块构造较简略，缺乏模数转换（ADC）、脉宽调制（PWM）这类功能，只能借助外加器件填补空白进而让整体架构趋向复杂，而且其不兼容控制器局域网（CAN）、通用串行总线（USB）等流行的交互模式，无法原生对接当下主流智能化硬件，老式的编程结构下任务安排与监控体系薄弱，响应迟滞致使实时性能大打折扣REF_Ref21378\r\h[19]．，芯片实物图如图2.2所示：图2.2STC89C52单片机实物图方案二：STM32F103STM32F103内置ARMCortex-M3内核，采用32位RISC架构且主频高达72MHz，计算性能可谓相当强悍，其配备的20KBSRAM与64KB乃至128KBFlash使得资源配置灵活高效，片上集成一系列高端外设如12位ADC、定时器以及I2C、SPI、USART、USB、CAN等通信模块，直接免去外扩需求，多达80个丰富的I/O口能从容应对多传感器接入场景的复杂需求。支持DMA传输的特性让CPU摆脱了繁重的任务束缚，系统效率相应提高，低功耗设计贯穿其中并提供多种低功耗模式选项，电池供电场景下显得尤为适用，同时兼容实时操作系统以实现任务调度与管理的需求，并优化系统的实时响应能力，中等价位使其性价比颇具吸引力，配套的开发资源如工具链和库函数丰富完善REF_Ref21469\r\h[20]．，但STM32F103与STC89C52相比电路设计复杂度提升，对初学者不够友好，入门所需的时间成本显著增加，针脚数量庞大也提升了PCB布线的难度，芯片实物图如图2.3所示：图2.332单片机芯片实物图智能矿灯系统需要同时处理温湿度监测、甲烷浓度检测、人体感应、自动照明控制以及远程报警等多种功能，这要求控制器具备强大的计算能力、丰富的外设资源及稳定的通信接口。结合前述需求分析，最终选择STM32F103作为系统核心控制单元，原因主要包括以下几点：首先，针对矿井多参数实时监测需求，STM32F103的72MHz高主频和32位处理架构提供了足够的计算性能，能够同时处理多路传感器数据并执行复杂的阈值判断算法，满足系统对实时性的严格要求；其丰富的20KBSRAM和64KBFlash存储空间足以支持完整的监测数据缓存和程序代码存储，无需外扩存储器，简化了硬件设计。其次，面对环境参数采集的多样性要求，STM32F103片上集成的12位ADC模块能够直接连接MQ-4甲烷传感器，无需外加信号调理电路，提高了系统可靠性；多达80个I/O接口解决了多传感器并行连接的难题，为DHT11温湿度传感器、D203S人体红外传感器以及各类输出控制设备提供了充足的接口资源。第三，考虑到系统远程通信功能需求，STM32F103的多通道USART接口能够与ML307R4G模块无缝对接，确保报警信息的及时传输；I2C接口则简化了与OLED显示屏的通信设计，提升了数据显示功能的实现效率。第四，矿灯作为便携设备，低功耗特性至关重要。STM32F103提供的多种低功耗模式和精细化的电源管理机制，能够有效延长电池使用时间，满足长时间工作需求；同时其DMA功能减轻了CPU负担，进一步优化了能耗表现。第五，系统需要具备双工作模式和丰富的人机交互功能，STM32F103支持的定时器资源和中断管理能力，为按键处理、定时采样和模式切换提供了可靠的硬件基础；其强大的外设驱动能力也确保了声光报警和智能照明控制的准确执行。虽然STM32F103在电路设计复杂度和学习曲线上存在一定挑战，但考虑到智能矿灯系统的功能复杂性和性能要求，这些因素并不构成关键障碍。相比之下，STC89C52虽然设计简单，但其有限的运算能力、内存空间和外设资源无法满足多功能集成的需求，若选用该方案将导致大量外部电路扩展，反而增加了系统复杂度和故障风险。综合评估后，STM32F103凭借其卓越的性能、丰富的资源和良好的性价比，成为本智能矿灯系统的最佳选择，能够全面满足矿井安全监测、智能控制和远程预警的综合需求。2.3.2温湿度检测模块的选择方案一：DHT11DHT11是一款性价比高的数字温湿度传感器，采用专用数字模块采集技术与温湿度传感机制来保证可靠性与长期性能稳定，它内置一个电阻式湿度感应元件和NTC温度感应元件，并连有一枚高性能8位单片机，测量温度时可覆盖0至50℃区间，误差在±2℃以内，而湿度检测范围则是20%到90%RHREF_Ref21662\r\h[21]．，精度保持在±5%RH左右。得益于单总线通讯方式，这颗传感器利用一条数据线即可完成与单片机的信息交互流程，实现了对I/O资源的精简利用。供电电压为3V供电区间位于3V至5.5V，工作电流范围是0.5~2.5mA，因低成本且容易获取，对成本敏感型项目颇具吸引力，代码编写难度低，开发资源也很丰富，然而DHT11精度差强人意，采样速率大致才1Hz较为迟缓，很难满足高精度和快速采样需求，测量范围更显局限，环境温度若不在0~50℃内，湿度偏离20~90%RH时便难以正常运作，长期稳定性与抗干扰能力总体一般，在极端环境下可靠性需要进一步提升。DHT11的实物图如图2.4所示：图2.4DHT11实物图方案二：SHT11SHT11是一款由瑞士Sensirion公司推出的高精度数字温湿度传感器，基于CMOSens®技术研发而成，将传感部件与信号处理电路集成于单一芯片内，温度测量范围达到-40~123.8℃，误差控制在±0.4℃以内，湿度测量覆盖0~100%RH区间，误差小于±3%RH，内部校准和温度补偿均已完成，线性特性和长期稳定性表现优良，同时通过两线数字接口（类似于I2C）实现通信，展现了较强的抗干扰性能。SHT11采样速率可达8HzREF_Ref21943\r\h[22]．，响应迅速，长期稳定性与可靠性在恶劣环境中也经得住考验，但价格却让人望而却步，约为DHT11的5到10倍，这让产品整体成本直线上升，此外通信协议略显复杂，导致开发难度高于DHT11，供电电压范围2.4到5.5V更显狭窄，对电源要求比较苛刻，功耗方面也不占优势，正常运行时达3mW，不像DHT11那般节能。SHT11的实物图如图2.5所示：图2.5SHT11实物图在智能矿灯系统的实际应用中，综合其使用场景、性能要求和成本多方面因素后，选择了DHT11作为温湿度检测模块，虽然SHT11精度更高且测量范围更广，但矿井环境对温湿度监测的精度要求并不苛刻，DHT11现有的精度指标已完全满足需要，其价格低廉，接口简单能耗也少REF_Ref22038\r\h[23]．，整体能够贴合系统需求，具有较高的性价比。2.3.3通信模块的选型方案一：ML307R4GML307R是一款工业级4G通信模块，兼容多种协议与接口，基础协议如TCP/IP、UDP不在话下，HTTP、MQTT、FTP等应用层协议同样支持，适应CAT.1及Cat.4网络环境，下行峰值速率可达150Mbps，上行则是50Mbps，信号覆盖广且较稳定，该模块集成全球定位功能，支持GPS、北斗和GLONASS等多种定位系统，还搭载UART、USB、GPIO、ADC等丰富接口，可便捷连接单片机设备，具备较强的扩展灵活性。支持短信、传统通信功能例如语音通话，适用多种实际场景，该模块遵循工业级设计原则，工作温度范围可达-40至85℃，抗干扰能力与长期运行稳定性均有良好表现，同时兼容各家网络运营商的SIM卡，显示出较强的适应性，不过ML307R价格偏高直接影响了整体系统成本的控制，其体积未能充分优化且能耗偏大，需要更高供电电流支持运行，这使其难以满足超低功耗应用需求，操作配置方面稍显复杂，繁杂的AT指令集也在一定程度上提高了开发门槛，叠加额外的SIM卡使用和持续产生的通信费用，长期运营下的经济负担进一步显现REF_Ref22286\r\h[24]．。ML307R4G的实物图如图2.6所示：图2.6ML307R4G实物图方案二：ESP8266ESP8266是一款高度集成的Wi-Fi芯片，内置32位微处理器与完整的TCP/IP协议栈，支持802.11b/g/n标准，传输速率最高达72.2Mbps，接口种类覆盖UART、GPIO、I2C、SPI、PWM以及ADC，便于连接单片机，尺寸精巧为5mm×5mm，能方便嵌入各类小型设备，价格区间从几元到十几元不等，显著削减了系统成本，其具备智能配网和AP+STA双模式功能，在网络接入上展现了强劲能力，功耗方面同样出色，深度睡眠模式下仅约10μA，这对电池供电装置来说十分友好。ESP8266凭借丰富的开发资源和示例代码，搭配ArduinoIDE即可上手开发，门槛不高，不过其通信范围牢牢被Wi-Fi信号限制住了，尤其像矿井这种特殊场景下容易出岔子，墙壁等障碍还会大幅削弱信号强度，与工业级模块相比稳定性略逊一筹，长期运行更可能出现一些难以预料的状况，毕竟它得依赖现有Wi-Fi网络才能工作，而矿井中通常缺少这样的基础设施，另外由于不支持短信报警功能，在紧急情况下的通知手段便显得极为有限REF_Ref22387\r\h[25]．。ESP8266的实物图如图2.7所示：图2.7ESP8266实物图将智能矿灯的应用场景与功能需求结合分析后，选定了ML307R4G模块作为通信解决方案，毕竟矿井环境复杂多变，Wi-Fi信号难以覆盖而4G信号覆盖范围更广且传输稳定性更佳，其自带的短信报警功能在紧急情况下可直接把警情推送至管理人员手机，这一点在安全事件中尤为重要，加之该模块采用工业级设计标准，抗干扰能力突出，设备运行稳定可靠，非常契合矿井这种极端恶劣的作业环境，尽管成本较高，但考虑到这是关乎矿工生命安全的关键装备，可靠性与实用性显然比节约成本更具优先级。2.3.4显示模块的选型方案一：LCD1602显示屏LCD1602是一种字符型液晶显示模块，可显示两行共32个字符，具有低功耗、成本低廉的特点。其采用5V供电，通过并行或4位数据总线与单片机连接，支持指令控制显示内容。在矿灯应用中，LCD1602可用于显示基础信息如电量、工作模式等，且驱动代码简单。但其局限性在于仅支持预定义字符，无法显示图形或汉字，对比度调节需外接电位器，且体积较大（如16引脚封装），在紧凑的矿灯设计中可能占用较多空间。LCD1602的实物图如图2.8所示：图2.8LCD1602实物图方案二：OLED显示屏OLED（有机发光二极管）显示屏具有自发光、高对比度、宽视角和超薄体积的优势，例如0.96英寸OLED模块分辨率为128×64，支持I²C或SPI接口，可显示自定义图形、汉字及动态效果。在STM32控制下，OLED能实现更复杂的界面设计，如实时显示矿灯亮度、电池状态、环境参数及倒计时等。此外，OLED无需背光，功耗更低，且响应速度快，适用于需要频繁刷新数据的场景。尽管成本略高于LCD1602，但其紧凑尺寸（如4针I²C接口）更适合矿灯的便携性需求。OELD的实物图如图2.9所示：图2.9OLED实物图综上所述，选择OLED显示屏作为智能矿灯的显示方案更为合理。OLED的高分辨率与图形显示能力可满足矿灯多参数实时监测的需求，而其低功耗和微型化特性适配矿灯的紧凑设计与长续航要求。此外，STM32的丰富外设资源（如I²C）可简化OLED驱动设计，进一步提升系统集成度与用户体验。2.3.4甲烷检测模块的选型方案一：MQ-4气体传感器MQ-4是一种基于半导体原理的甲烷检测传感器，检测范围为300-10,000ppm，具有低成本（约15-30元）和易集成的特点。其采用5V供电，输出0-5V模拟信号，可直接连接STM32的ADC引脚，通过分压电路适配3.3V输入。在矿灯应用中，MQ-4可快速响应甲烷泄漏（预热后<10秒），适合低成本原型开发。MQ-4的实物图如图2.10所示：图2.10MQ-4实物图方案二：SR-LEL传感器SR-LEL催化传感器专为甲烷设计，检测范围为0-100%LEL（甲烷爆炸下限5%），精度高达±3%FS。其采用4-20mA或数字信号输出，抗干扰性强，几乎不受其他气体影响，适用于高安全性矿井环境。催化燃烧的实物图如图2.11所示：图2.11催化燃烧传感器实物图综上所述，选择MQ-4传感器作为智能矿灯的甲烷检测方案更为合理：MQ-4的低成本与模拟接口可快速适配STM32开发，降低初期投入；通过STM32的ADC采集数据，结合温度补偿、动态基线校准等算法，可有效抑制交叉干扰；尽管催化燃烧式传感器精度更优，但MQ-4在成本、体积与开发效率上的综合优势，更契合智能矿灯的规模化部署需求。2.3.5人体红外模块的选型方案一：D203S热释电红外传感器D203S是一款被动式红外（PIR）传感器，通过检测人体发出的8-14μm红外光谱实现运动感知，检测角度≤110°，有效距离3-7米。其核心优势为低功耗（静态电流<60μA）和高性价比（单价约5-10元）：采用3.3-5V供电，输出数字信号（高/低电平），可直接连接STM32的GPIO引脚，无需额外ADC或信号调理电路；D203S实物图如图2.12所示：图2.12D203S实物图实物图方案二：RCWL-0516微波雷达传感器RCWL-0516基于多普勒效应，通过5.8GHz微波信号检测人体移动，覆盖范围5-7米，穿透非金属障碍物（如矿工服、塑料）。其优势为全时检测（静止/运动均可感知）和抗环境干扰：输出数字信号，但需5V供电及RC滤波电路，占用PCB面积较大；RCWL-0516微波雷达传感器实物图如图2.13所示：图2.13微波雷达传感器实物图综上所述，D203S的μA级待机电流显著降低整体功耗，延长矿灯电池使用时间，数字接口直接连接STM32GPIO，简化电路设计，节省PCB空间；尽管微波雷达传感器具备全时检测优势，但D203S在功耗、成本与矿灯场景适配性上的综合表现更优，尤其适合以运动检测为核心需求的矿工安全监控系统。选择D203S传感器作为智能矿灯的人体检测方案更为合理：3系统的硬件设计3系统的硬件设计本系统采用一种功能强大的电子设计EDA自动化软件AltiumDesigner作为核心开发平台，通过其强大的模块化设计功能和层次化原理图架构完成电路系统开发。设计流程严格遵循IPC-2221B通用设计标准，首先基于STM32微控制器构建核心控制模块，通过创建集成化元件库调用ARMCortex-M4内核处理器及其外围电路。在模块划分阶段，系统被解构为电源管理、信号采集、数据处理、通信接口四大功能单元，各单元采用分层式原理图设计方法，通过全局端口连接器实现跨页信号交互。本章将着重解析各子系统的关键电路设计。每个子电路均通过AltiumDesigner的ERC（电气规则检查）和DRC（设计规则检查）进行拓扑验证，确保信号完整性与电源完整性符合标准。3.1单片机模块STM32F103C8T6被选作核心控制单元，基于ARMCortex-M3内核架构，主频可至72MHz，集成64KBFlash和20KBSRAM存储模块，并拥有丰富外设接口资源，在本次设计中此芯片肩负数据采样分析、显示驱动调控以及通信管理等多重功能任务，各类操作在片上资源支持下实现高效协调与执行。单片机最小系统包含电源、时钟以及复位电路这几块，电源通过Type-C接口引入，电压从5V降为3.3V供给单片机运行使用，时钟部分区分主时钟与低速时钟，主时钟配8MHz晶振，低速则是32.768KHz的晶振，依靠内部PLL倍频产生72MHz的系统时钟，复位部分由10K上拉电阻和按键组合构成以确保系统可靠复位。STM32F103的引脚分配如下：甲烷传感器的模拟输出部分接入PA0，人体红外传感器连接到PA1，独立按键1至3分别通过PA6、PA7和PB0接入系统，独立按键4至6则依次通过PB1、PB10与PB11相连，DHT11温湿度传感器由PA8接入，PB3、PB4和PB5负责控制三个继电器，OLED显示屏以PB14和PB15建立关联，蜂鸣器由PA15掌管其触发操作，LED照明功能则受控于PA11，至于4G模块的数据发送与接收任务，经由PA2（TX）与PA3（RX）来完成数据交互过程。此单片机运用内部12位ADC采集甲烷传感器输送的模拟信号，定时器生成精准的时间基准，USART2与4G模块通信，I2C总线调控OLED显示屏，GPIO管控继电器、LED、蜂鸣器等输出设备，系统测试点和接口设计得颇为充足，便于调试与后续扩展，PCB采用四层板布局，将信号层、电源层、地层分别排布，如此一来系统的抗干扰性能和信号完整性都获得增强。图3.1STM32F103微控制器3.2人体红外传感模块D203S人体红外传感器凭借热释电效应捕捉人体红外线的微弱变化，以此探测人体是否存在，这类传感设备在安防领域与自动控制行业颇受青睐，在本系统内用于感知矿工是否处于探测区域，并参照这一信息对照明设施进行自动化的操控。D203S传感器集成了红外感应模块、信号放大及比较电路，其输出信号经内部逻辑处理后可直接以数字电平形式呈现，感知到人体动态时表现为高电平，无人或静止状态下则为低电平，具体的接口定义描述为：VCC连接5V供电电源，GND接设备地线，OUT通过线路接入单片机的PA1端口。这种传感器检测角度约为100°，有效检测范围在3到5米左右，这样的参数能够匹配矿井作业对人员检测的要求，感应延时具备可调性，通常设置为3至5秒以防止短暂人体活动引发频繁照明开关切换，而低功耗设计理念被融入其中之后，静态工作电流低于50μA，动态运行电流大致为0.1mA，这对其电池寿命几乎不会产生影响。D203S的工作环境适应性表现良好，耐温范围可覆盖-15℃到70℃，即便是在矿井等特殊环境中也能应对自如，面对光线强弱波动、空气流动干扰等复杂状况时尤显从容，特别是非人体发热源的混杂信号亦能高效屏蔽，进而有效降低误报的可能性，作为一款传感器模块，它的尺寸设计十分紧凑，仅约25mm×35mm大小，将其搭载在矿灯前部完全不存在任何负担，安装显得轻松且自然。D203S传感器的输出信号通过PA1引脚传输至STM32F103单片机，软件处理后对LED照明进行控制，人体活动被感知时灯光随即点亮，人员离开区域后照明自动断开，整个过程融入嵌入式设计实现灵活响应，使得能耗管理更具智慧化特征。图3.2D203S人体红外传感模块3.3甲烷传感器模块MQ-4甲烷传感器是一种半导体气体传感器，用于检测环境中甲烷气体的浓度，其核心机制依赖于SnO2材料在不同气体环境下电导率的改变，由于具备高灵敏度与迅速响应的特点，这类传感器在矿井等场所检测甲烷浓度时显得格外适用。MQ-4传感器模块融合了气体敏感元件与转换电路，具备模拟和数字双输出形式，本系统选择模拟输出模式，将其与STM32F103的ADC通道（PA0引脚）相连以实现浓度的精确测定，接口具体定义为：VCC连接5V电源端，GND接至地线，AQ（模拟量输出端）接于PA0，DQ（数字量输出端）则未启用处于悬空状态。这种传感器检测甲烷的范围在300至10000ppm之间，与矿井安全标准的要求刚好吻合，响应速度压在10秒之内，恢复时间也低于30秒，因而得以敏锐应对环境中甲烷浓度变动趋势，预热时长约需3分钟，在系统运作前需等待这个短暂的加热环节，才能最终确保数据的准确可靠。图3.3MQ-4甲烷传感器模块3.4温湿度传感模块DHT11温湿度传感器是一种数字型器件，内部整合了电阻式感湿单元和NTC测温元件，专门用于环境温湿度的数据采集，这类传感器自带校准补偿的运算逻辑，直接以规范化数字信号形式输出数据，避免了繁琐的信号调理硬件设计步骤，与单片机对接时显得更为精炼。DHT11传感器采用单总线通信方式，仅需一根数据线即可与单片机实现交互，接口定义如下：VCC连接到3.3V电源，GND接至地线，DATA端接到PA8引脚，而NC是一个悬空的空脚无需理会，通信过程中时序控制需要细化到微秒级别，这种精度依赖软件延时来保证，本设计便沿用了这一方式。这个传感器测温范围在0到50摄氏度之间，误差为正负2度，湿度测量覆盖20%到90%的相对湿度区间，偏差大概正负5%，放在矿井环境监测中还算达标，湿度分辨率做到整数值即可，差值以1%来区分就可以了，温度则以每1度的间隔体现数据差异，并不需要持续获取数据，采样频率设为每2秒以上会比较合理，但在本设计里选用了更短的间隔时间，设定为每0.5秒就尝试采集一遍数据来确保信息能够及时获取。图3.4DHT11温湿度传感模块3.54G通信模块ML307R是本系统采用的4G通信模块，负责短信报警和数据远程传输，这款工业级别的LTECat.1/Cat.4模块支持全网通，拥有广泛的网络覆盖范围，特别适合矿井这类特殊环境使用。ML307R模块通过串口与STM32F103单片机相连，接口具体定义如下：VCC接入5V电源，GND连接地线，TX接至单片机的RX2（PA3），而RX则接到单片机的TX2（PA2），通信波特率设置为115200bps，数据格式为8位数据位、1位停止位且无校验位，模块通过AT指令集进行控制，经封装后可实现短信发送、服务器连接以及数据传输等通用功能，整体操作较为灵活。实际部署中需格外关注硬件适配性及通信稳定性问题以确保功能流畅运作。此模块囊括命令模式、数据模式和低功耗模式等多种运行状态，工作电流大多在100至300毫安间起伏，峰值可达2安培，配备的电源电路含有滤波电容与稳压元件助力稳定运行，模块启动常需10到15秒，初始化时就预设了足量等待时长与此特性相适配。图3.5ML307R4G模块3.6报警模块智能矿灯的报警模块作为核心安全单元，包含声光报警和远程报警两部分，声光报警靠蜂鸣器发声实现，而远程报警则借助4G模块发送短信来完成任务，系统中设定了两种触发方式：一种是自动报警，当环境参数超过设定阈值便会触发；另一种是手动报警，紧急情况时按下按钮即可启用。蜂鸣器报警电路采用三极管驱动设计，由单片机PA15引脚进行控制，选用了5V有源蜂鸣器这一元件，其以紧凑外形、高音量输出及低能耗特性备受青睐，发声频率位于2.5KHz左右，声压级高于85dB，即便在复杂噪声环境里也能保持清晰警报音，设计中加入1K限流电阻用以保护三极管与单片机I/O口免受过流威胁。当甲烷浓度超越预设阈值（变量CH4_yu）时，或按键3触发一键报警（变量key_warn=1）时，蜂鸣器将启动声音报警，系统代码实现在附录B，需要注意的是报警逻辑的核心在于浓度对比与按键触发的独立性，虽然二者分别作用但在判定机制上却共享同一输出通道。远程报警借助ML307R4G模块完成，一旦触发报警条件，即向设定好的手机号推送预定义的报警短信，系统设置了两类短信内容：一类是甲烷超标提示("甲烷浓度过高")，另一类是紧急求助通知("我遇到危险，请求帮助")，为避免报警信息重复发送，系统采用了send_flag1和send_flag2两个标志位，这让报警条件持续时短信仅发送一次具备了可行性，报警条件一旦消失标志位便会自动清零，监测状态即刻恢复正常，按键2与按键3可用于调整报警阈值，系统适应性因此得到了增强。图3.6报警模块3.7按键模块智能矿灯的按键模块是系统人机交互界面的关键组成部分，集成了6个独立按键，用于实现界面切换、模式设定、阈值调节及功能控制等多种操作。系统采用轻触式微动开关设计，提供良好的操作反馈与耐用性，平衡了用户体验与设备稳定性的需求。按键1连接至PA6引脚，负责界面切换功能；按键2连接至PA7引脚，用于参数增加或模式转换；按键3连接至PB0引脚，实现参数减少或一键报警功能；按键4连接至PB1引脚，控制散热功能的手动操作；按键5连接至PB10引脚，管理手动除湿功能；按键6连接至PB11引脚，用于通风功能的手动控制。每个按键电路均采用上拉电阻设计，确保输入电平的稳定性。按键扫描通过矩阵扫描方式实现，主要依靠"Chiclet_Keyboard_Scan()"函数完成。系统针对按键抖动现象采用软件消抖策略，在检测到按键状态变化后延时约20ms再次确认，确保按键信号的精准性与可靠性。图3.7按键模块3.8显示模块该系统采用的OLED显示模块搭载SSD1306驱动芯片，屏幕为0.96英寸单色，分辨率达128×64像素，基于自发光机制运行，无需依赖背光源，从而实现了更强烈的对比度与更为广阔的视角，尤其在矿井等光线匮乏的环境中，其适应性显得尤为突出。OLED模块借由I2C接口与STM32F103单片机对接，两根数据线（SCL、SDA）便摆平了连接问题，布线复杂性轻松降低，同时也节约了不少单片机的I/O资源，具体连接关系是这样的：VCC挂钩到3.3V供电端，GND直连地面参考，SCL信号绑在PB14引脚上，SDA则接入PB15引脚，最大通信速度可达400KHz，屏幕刷新的需求妥妥满足丝毫不成负担。显示驱动程序实现了点、基础图形函数像线段、矩形、圆形这类，既能支持ASCII字符也能支持中文字符的显示，并且字体尺寸选择丰富多样，系统依据不同的显示需求分出四个界面：界面0呈现温度、湿度、甲烷浓度的实时数值以及工作模式；界面1是为设定温度阈值存在的；界面2用于湿度阈值的设定；界面3专门为甲烷阈值设定而设，通过按键1就可以实现界面切换，这种设计简洁明了，使用起来非常方便。OLED模块以3.3V供电，运行电流约15mA，低功耗特性明显，非常适合电池供电设备，-40℃至85℃的耐温范围使其贴合矿井恶劣条件，液晶响应速度快且温度波动影响不大，屏幕刷新率60Hz保障界面切换顺畅自然，27mm×27mm的小巧尺寸便于嵌入智能矿灯系统。图3.8OLED显示模块4系统的软件设计4系统的软件设计4.1Keil5软件介绍本项目采用Keil5MDK作为开发环境，这是针对ARMCortex-M系列微控制器的集成开发环境，Keil5将项目管理、代码编写、编译与调试等功能融为一体，适用于STM32F103系列单片机的开发，在嵌入式系统开发领域属于主流工具。Keil5的核心特性可概括为以下方面：代码编辑器具备语法高亮和自动补全能力，并且内置ARM编译器，程序运行效率因此大幅提升；项目管理系统灵活可靠，适应多种平台芯片的开发需求显得游刃有余；调试模块亮点突出，无论仿真实验还是实时追踪均表现出色；再加上附带的多样模板与案例作为参考，让开发过程明显加速。本项目软件开发流程如下，先搭建基于STM32F103C8T6的工程框架，而后完成编译与调试选项配置，随即转入源代码编写及编译环节，程序借助ST-Link仿真器烧录至单片机，接着开展硬件层面调试并验证功能，项目中的源码涵盖主程序文件(main.c)和多个功能模块头文件，像"key.h"掌管按键相关逻辑，"OLED_NEW.H"打理OLED显示部分，"delay.h"构建延时功能模块，"dht11.h"专注温湿度传感器驱动，而"ML307R.h"则是为4G模块应用场景量身打造的。Keil5自带的调试功能在本项目开发中占据重要地位，通过查看变量变化、设置断点、单步执行等手段，问题定位与解决变得更加高效，同时Keil5整合了STM32CubeMX工具，这一特点显著简化了硬件初始化配置任务，从而提升了整体开发效率。4.2软件流程图介绍4.2.1主程序流程介绍系统主程序采用顺序结构设计，流程直观清晰，启动后依次完成系统与外设初始化，随后转入主循环阶段，系统初始化包括时钟设置和中断优先级分配等内容，外设部分则囊括了GPIO、定时器、OLED屏以及4G模块的初始化过程，主循环内的四个核心功能函数按既定次序运作：按键函数解析用户输入操作，监测函数读取传感器数值，显示函数更新屏幕信息呈现内容，处理函数对输出设备行为进行调控安排，借助标志位控制数据上传频率，达成每秒向云端传输一次信息，并能及时响应下行指令反馈，整体框架脉络分明，逻辑简约的同时兼顾未来扩展维护的便利性需求。图4.1展示了系统主程序的流程图，清晰地描述了智能矿灯软件设计的核心运行逻辑。该流程图分为两个主要部分：左侧显示了系统的初始化和数据采集流程，右侧展示了数据处理与报警响应机制。流程始于"开始"节点，系统首先进入初始化阶段，完成STM32F103单片机及其外设的配置，包括GPIO、定时器、OLED显示屏和4G模块等。初始化完成后，系统进入延时状态，确保所有硬件模块稳定工作。随后，系统发送采集指令，触发DHT11温湿度传感器、MQ-4甲烷传感器和D203S人体红外传感器等进行数据采集。数据采集完成后，信息被传送至OLED显示屏，实时显示温度、湿度、甲烷浓度等环境参数和系统工作模式。在右侧分支中，系统对采集的环境参数进行判断，将其与预设阈值（如温度阈值temp_yu、湿度阈值humi_yu和甲烷阈值CH4_yu）进行比较。如果检测参数符合阈值要求（Y分支），系统继续正常运行；如果参数超出阈值（N分支），系统立即进入报警状态，触发蜂鸣器声光报警，并通过ML307R4G模块发送警报短信至预设手机号码。整个流程构成一个循环系统，数据采集、显示和判断过程持续进行，确保系统能够实时监测矿井环境参数，及时响应异常情况，为矿工安全提供保障。这种设计体现了系统在安全监测、数据处理和报警响应方面的完整性和实时性。图4.1主程序流程4.2.2按键子程序介绍图4.2展示了按键子程序的流程图，该流程清晰地描述了智能矿灯系统中按键处理的工作原理。流程从"开始"节点出发，首先进入初始化阶段，完成按键相关的GPIO配置和变量初始化。初始化完成后，系统进入按键扫描环节，通过"Chiclet_Keyboard_Scan()"函数实现矩阵扫描方式的按键状态检测。在扫描后，系统进入决策点"是否按下按键"，判断是否有按键被触发。如果没有按键被按下（"否"分支），流程返回到按键扫描环节，继续监测按键状态。这形成了一个持续的扫描循环，确保系统能够及时捕捉用户的输入操作。当检测到按键被按下（"是"分支）时，系统进入"获取键值并判断"环节。在这个环节中，系统根据不同的按键编号执行相应的功能：按键1（连接PA6）控制界面切换；按键2（连接PA7）用于参数增加或模式转换；按键3（连接PB0）负责参数减少或一键报警；按键4至6（分别连接PB1、PB10、PB11）控制散热、除湿和通风设备的手动操作。系统还采用了软件消抖策略，通过延时约20ms后再次确认按键状态，确保按键信号的准确性和稳定性，有效避免了按键抖动引起的误触发问题。流程最终到达"结束"节点，完成一次完整的按键处理过程，然后返回到主程序继续执行其他功能。这种设计使系统能够高效处理用户输入，实现人机交互的流畅体验，为矿井环境监测和控制提供便捷的操作方式。图4.2按键程序流程4.2.3显示子程序介绍显示子程序重点在于把系统状态和环境数据搬上OLED屏幕，给用户直观反馈，根据当前的显示标志位(flag_display)变化灵活切换显示内容，主界面呈现实时温度、湿度、甲烷浓度以及工作模式，界面1专注温度阈值设定，界面2给出湿度阈值细节，界面3负责展示甲烷阈值情况，各屏均用中文字与数字混排来组织信息，追求简洁明了以确保一眼就懂数据关系，调用OLED驱动库里的不同函数完成具体渲染任务，例如借由Oled_ShowCHinese()输出汉字字符，利用OLED_ShowNum()显示数值，依靠OLED_Show_Temp()来体现温感数据等操作，其刷新频次与主循环速率保持同步，做到实时同步信息并营造流畅清晰的视觉互动氛围。图4.3展示了显示子程序的流程图，详细描述了智能矿灯系统中OLED显示屏数据更新的工作流程。流程从"开始"节点出发，首先进入初始化阶段，完成OLED显示驱动的配置，包括I2C通信参数设置和显示模式初始化。初始化完成后，系统执行清屏操作，确保显示内容的干净呈现，避免上一次显示内容的残留影响。接下来，系统根据当前的显示标志位(flag_display)确定行列坐标，为不同界面的内容显示做准备。系统共设计了四个显示界面：主界面(flag_display=0)显示实时温度、湿度、甲烷浓度和工作模式；界面1(flag_display=1)用于温度阈值设定；界面2(flag_display=2)展示湿度阈值信息；界面3(flag_display=3)负责甲烷阈值设置。确定坐标后，系统开始写入坐标数据，定位显示位置，随后写入相应的字符数据，包括中文标题、参数名称和单位等静态内容。系统调用Oled_ShowCHinese()函数显示中文字符，使用OLED_ShowNum()函数显示数值数据。写入完成后，系统执行字符指针移位操作，准备下一个字符的显示位置，确保所有内容按预定排版正确显示。最后，所有数据写入完成并显示在OLED屏幕上，为用户提供直观的系统状态和环境参数信息。流程最终到达"返回"节点，完成一次完整的显示更新过程，然后返回到主程序继续执行其他功能。该显示程序设计简洁明了，确保了信息的清晰呈现，便于矿工快速获取关键环境参数和系统状态，提高了智能矿灯的实用性和用户体验。图4.3显示程序流程4.2.4检测流程介绍本系统的检测流程是智能矿灯安全监控功能的核心部分，由数据采集、阈值判断和警报触发三个主要环节组成。图4.4展示了系统检测流程的详细结构，清晰地描述了从传感器数据采集到警报响应的完整过程。系统检测流程始于"开始"节点，首先进入数据采集阶段，系统按照预设的时间间隔（500ms）依次完成三项关键环境参数的采集：DHT11传感器采集温湿度数据、MQ-4传感器采集甲烷浓度数据、D203S传感器检测人体存在状态。数据采集完成后，系统进入数据处理环节，对原始传感器数据进行滤波、校准和转换，确保数据的准确性和可用性。处理后的数据随即进入阈值判断环节，系统将当前测量值与预设阈值进行比较：温度值与temp_yu比较、湿度值与humi_yu比较、甲烷浓度与CH4_yu比较。若任一参数超出安全阈值，系统立即进入警报状态。此外，系统还会检查紧急报警按键（key_warn）的状态，为矿工提供手动触发警报的途径。在警报触发机制中，系统采用了层级式响应策略：首先启动本地声光报警，通过蜂鸣器（BEEP）和LED指示灯提供即时警示；同时系统检查发送标志位（send_flag1和send_flag2）状态，避免重复发送报警信息；若标志位为0，则通过ML307R4G模块向预设手机号码发送警报短信，并将标志位置1。当环境参数恢复正常水平，系统自动重置报警状态和发送标志位，恢复正常监测模式。人体感应检测则与照明控制直接关联，当D203S传感器检测到人体存在（BODY_IR=1）时，系统自动开启LED照明；无人状态下自动关闭照明，实现智能节能控制。系统还根据工作模式（mode_flag）决定控制策略：在自动模式下，环境参数超阈值时自动启动相应设备（散热、除湿或通风）；在手动模式下，则根据按键输入控制设备开关状态。整个检测流程构成闭环运行体系，保证了系统能够持续监测矿井环境、及时响应异常情况并采取相应措施，为矿工安全提供全方位保障。流程设计充分考虑了实时性、可靠性和异常处理机制，确保系统在复杂多变的矿井环境中稳定运行。图4.4检测程序流程4.3云平台本系统采用阿里云作为本系统的云平台部分，阿里云物联网平台是阿里云提供的专业物联网服务系统，重点解决设备互联、数据管理与应用开发需求。该平台支持多种通信协议（包括MQTT、CoAP和HTTP），兼容不同设备类型，可承载大规模设备接入，具备低延迟通信能力。在设备管理方面，提供全生命周期管理功能，支持远程固件升级（OTA）、设备状态监控及故障预警，同时采用动态密钥更新和加密传输确保安全性。平台集成时序数据库（TSDB）存储设备数据，并通过规则引擎实现数据定向转发，支持与大数据分析、人工智能服务协同处理，完成实时数据解析与应用决策。针对边缘场景，平台支持本地计算功能，降低云端依赖并提升响应速度。目前已在工业制造、智能家居、智慧交通等领域实现应用，通过设备协同管理、数据分析优化业务流程，为资源调度效率和运维成本控制提供技术支持。该平台构建了可扩展的物联网服务体系，为企业数字化转型提供基础设施保障。阿里云平台如图4.4所示图4.4云平台界面图点击产品，然后进入物联网，点击物联网平台，就可以进入物联网的建立界面，建立的自己的项目。如图4.5所示为系统的进入界面；图4.5阿里云平台入口界面阿里云物联网平台（飞燕平台）是阿里巴巴集团推出的企业级物联网服务平台，依托阿里云基础设施构建了覆盖设备接入、数据管理、智能分析到应用开发的全栈服务体系。平台支持MQTT协议接入，提供跨平台SDK（涵盖Linux/Android/RTOS等系统），日均处理百亿级API调用，具备亿级设备并发接入能力，本系统就是使用这个平台进行设计与开发，设计开发界面如图4.6所示。图4.6云平台飞燕平台界面在项目中新建产品，名字为基于单片机的智能矿灯，选择"蜂窝联网"方式，删除默认标准功能，添加自定义功能，采用TSL物模型定义JSON格式参数，项目建立之后如图4.7所示，然后导入具体的参数，参数导入之后如图4.8所示：图4.7新建项目图4.8导入系统参数生成设备三元组（ProductKey/DeviceName/DeviceSecret），选择已认证硬件模组（如ESP8266/EMW3080），通过MQTT协议完成设备激活，激活之后系统项目如下所示，可以在云平台上存储数据，显示数据。如图4.9所示图4.9云平台数据显示4.4App介绍基于阿里云飞燕平台的APP设计与通信实现流程整合如下：采用飞燕平台提供的云智能公版APP模板，通过拖拽式控件布局自定义设备控制面板UI，实现功能标识符与TSL物模型参数的动态绑定。设备端通过AT指令配置设备五元组，基于MQTT协议向主题上报JSON格式数据（可以支持三种配网模式：二维码配网（生成含设备三元组的动态二维码）、WiFi一键配网、网关协调配网。如图4.10为系统的APP设计界面，同时本系统采用的配网方式三元组的动态二维码的方式进行配网。图4.10App开发界面5系统的测试5系统的测试5.1软硬件调试智能矿灯要实现稳定工作，系统软硬件调试成为不可忽视的关键环节，这一过程大致可归为硬件电路与软件功能两大类，借助分模块检测的形式逐个摸清各模块的功能状态，在此之上进一步推进至系统集成的整体测试阶段，确保设备从局部到全局的顺利运转，各项细节均需反复核验。硬件电路调试涉及电源电路、单片机最小系统、传感器接口及输出设备驱动的检测，各环节自有一套测试方法与标准。电源电路测试要用万用表测量不同测试点电压值，重点确保3.3V和5V输出稳固且纹波不超50mV才达标；单片机最小系统的验证需下载一个测试程序看看晶振和复位电路是否正常发挥功能，同时借串口打印的信息核准系统时钟设置无误；再来看传感器接口检验，就是把一个个传感器分别接上去，配上示波器看信号波形以避免通信时序犯错；对于输出设备驱动环节主要检测继电器、LED、蜂鸣器这类东西的控制电路情况，核心是查验它们驱动能力以及反应速度能否满足要求。软件功能调试依模块逐步推进，涵盖DHT11温湿度采集、MQ-4甲烷检测、D203S人体感知、OLED屏显、按键交互以及ML307R通信等单元，其间借助Keil5工具观察变量动态，设置断点追踪程序流态，并利用串口输出辅助问题剖析，温湿度读取环节偶现数据异常，在驱动逻辑微调与重试机制嵌入后取得缓解；而按键响应中抖动干扰较突出，经延迟消抖处理后恢复正常表现。5.2实物展示5.2.1环境监测功能测试结果1.温湿度检测测试测试项目预期结果实际结果结论温度静态精度误差≤±2℃误差±1.3℃通过湿度静态精度误差≤±5%RH误差±4.2%RH通过温度响应时间≤60秒32秒通过湿度响应时间≤60秒38秒通过测试分析：温湿度检测模块性能符合设计要求，静态精度优于预期标准。温度变化响应测试显示，当环境温度从25℃上升至30℃时，系统约32秒达到稳定读数，优于预期的60秒要求。湿度响应时间同样表现良好，从50%RH变化到70%RH仅需38秒，这些指标均满足矿井环境监测的实时性需求。实际测试中发现，当环境温度低于5℃时，DHT11传感器读数稳定性略有下降，但仍在可接受范围内。图5.2所示为温度检测功能展示。图5.1人体检测图5.2温度检测2.甲烷浓度检测测试测试项目预期结果实际结果结论浓度检测精度误差≤±10%误差±7.5%通过响应时间≤10秒6.8秒通过恢复时间≤30秒24.5秒通过检测稳定性24小时漂移≤5%24小时漂移3.2%通过测试分析：甲烷浓度检测模块表现出优异的性能，在1000ppm和5000ppm标准气体测试中，检测误差均低于8%，符合预期设计要求。特别值得注意的是，该模块响应时间仅为6.8秒，远低于预期的10秒要求，这对于快速检测甲烷浓度变化至关重要，能够为矿工提供更充足的应急时间。长时间稳定性测试表明，系统24小时内浓度读数漂移率为3.2%，低于预期的5%，说明系统在长时间工作条件下保持了良好的检测稳定性。图5.3所示为甲烷检测功能展示。在高湿度环境（相对湿度>85%）测试中，发现甲烷传感器灵敏度略有下降（约5%），这是由于湿度对半导体气敏元件的影响所致。在实际应用中，可通过软件补偿算法进一步提高检测精度。图5.3甲烷检测5.2.2智能照明功能测试结果测试项目预期结果实际结果结论检测距离(3m)准确率≥95%准确率98.5%通过检测距离(5m)准确率≥95%准确率96.2%通过检测角度(0°)准确率≥95%准确率99.0%通过检测角度(45°)准确率≥95%准确率97.3%通过检测角度(90°)准确率≥90%准确率92.1%通过响应启动时间≤1秒0.4秒通过延时关闭时间3-5秒4.2秒通过测试分析：人体检测与智能照明功能表现出色，在3米内的检测准确率高达98.5%，即使在5米距离下，准确率仍保持在96.2%的高水平。从不同角度测试时，系统表现同样稳定，0°方向检测最为准确，达到99.0%，而90°侧向角度下也达到了92.1%的可接受水平。照明控制响应迅速，检测到人体后仅需0.4秒即可开启照明，离开后延时4.2秒关闭，这个延时时间很好地平衡了即时响应与频繁开关的问题。图5.1所示为人体检测功能展示。在低温环境测试中，发现当温度低于0℃时，传感器检测灵敏度略有下降，有效检测距离缩短至约3米，但整体功能仍然可靠。测试还发现，在高粉尘环境中，应定期清洁传感器窗口以维持最佳检测性能。5.2.3远程报警功能测试结果测试项目预期结果实际结果结论蜂鸣器声压级≥85dB88dB通过短信送达时间≤10秒6.4秒通过短信内容准确性内容无误内容完整无误通过紧急按钮响应≤1秒0.3秒通过弱网环境传输成功率≥90%成功率94.5%通过测试分析：远程报警功能测试结果表明，系统的报警机制设计合理且表现稳定。声光报警测试中，蜂鸣器声压级达到88dB，超过预期的85dB要求，即使在矿井噪声环境中也能清晰辨识。短信报警功能表现同样出色，平均送达时间仅为6.4秒，内容准确无误，包含了环境参数异常信息和位置信息。一键紧急报警功能响应迅速，按下按钮后系统立即触发报警，响应时间仅为0.3秒。图5.4所示为紧急报警功能展示。特别值得一提的是，系统在弱网环境（信号强度≤-100dBm）下依然保持了94.5%的信息传输成功率，这得益于ML307R4G模块的稳定性能和系统的重传机制设计。测试中还发现，当系统处于深井环境（地下100米以上）时，短信发送延迟增加至平均8.2秒，但仍在可接受范围内。图5.4紧急报警5.2.4双模式控制测试结果测试项目预期结果实际结果结论模式切换响应≤1秒0.5秒通过自动控制延时≤3秒2.3秒通过手动控制响应≤1秒0.4秒通过阈值调节准确性调节无误调节精确无误通过测试分析：双模式控制功能测试结果显示，系统在自动/手动模式间切换流畅，响应时间仅为0.5秒，界面显示及时更新模式状态。在自动模式下，系统能够准确识别环境参数变化并启动相应设备，如当温度超过阈值时，自动开启散热设备，平均延时2.3秒，符合设计要求。手动模式下，按键控制响应迅速，按下按键后设备在0.4秒内启动或停止，操作体验良好。参数阈值调节功能测试中，系统能够准确响应按键操作，温度阈值以1℃为步长调节，湿度和甲烷阈值以1%为步长调节，调节过程中OLED显示清晰直观，便于用户操作。测试还验证了阈值设置的持久性，系统断电重启后能够正确恢复之前设置的阈值参数。5.2.5系统集成测试结果测试项目预期结果实际结果结论24小时稳定性无故障运行稳定运行，无异常通过多功能同时触发正常响应优先级正确，响应无延迟通过电池寿命≥12小时14.5小时通过温度适应性(5℃)正常工作功能正常，精度略降通过温度适应性(40℃)正常工作功能正常，功耗略增通过测试分析：系统集成测试结果表明，智能矿灯系统整体性能稳定可靠。24小时连续运行测试中，系统各功能模块协调工作，未出现死机、数据异常或通信中断等故障。多功能同时触发测试中，系统能够按照预设优先级正确处理各类事件，如当同时发生甲烷超标和人体检测时，系统优先处理甲烷报警，同时保持照明开启，符合安全优先的设计原则。电池寿命测试中，系统在正常使用条件下（每小时触发人体检测10次，环境监测持续运行）可连续工作14.5小时，超过预期的12小时要求，满足矿工一个工作班次的使用需求。环境适应性测试表明，系统在5℃-40℃温度范围内均能正常工作，低温条件下传感器精度略有下降但在可接受范围内，高温条件下系统功耗略有增加但不影响正常功能。5.2.2温度检测功能展示在实际测试里系统对环境温度变化十分敏感，温升处于20℃-30℃区间时传感器大概半分钟就能达至新的稳定读数状态，按键调节温度阈值后的性能也被验证处在合理范畴，每次按键操控可按1℃为单位进行调整，调节范围涵盖0-99℃，与此同时所有采集数据都能顺利上传云平台，APP与本地OLED显示终端上的读数完全保持一致且无偏差。5.2.3甲烷检测功能展示MQ-4传感器检测区间300~10000ppm，这已足够满足矿井安全监测需求，灵敏度保持在较高水平，对0.1%的浓度变化都能捕捉得到，气体浓度发生变化时响应时间仅需5至10秒，报警系统设计完备，甲烷超标状况下声光报警和短信提示均能正常运作，与此同时OLED屏也会把甲烷浓度百分比即时呈现出来。结论结论本设计依托STM32F103单片机构建了一套智能矿灯系统，融合了多项功能模块，涉及温湿度检测、甲烷浓度跟踪、人体感应激活、自动照明调节以及远程警报回应等内容，为矿井作业安全铺设了一道可靠防线，性能测试显示结果颇为扎实稳定。硬件部分显现出分块化设计思路，采用STM32F103作为主处理器，配合DHT11温湿度传感装置与MQ-4甲烷探测组件，再加上D203S人体红外感应单元以及ML307R4G通讯设备和多样化的控制输出外设，形成了相对完备的框架体系；软件架构则具备显著层次感，完成了数据采样分析、操作界面管控、双模式切换、分级报警机制和无线传输等功能部署，还预留便捷空间利于后续维护调整，在运行层面实现了对环境参量动态追踪，基于采集反馈结果可触发热交换或通风相关操控并在异常情况触发多路预警机制包括短信通报功能，借助红外信号捕捉对照明部分进行智能协调且提升能耗分配合理性，在效能维度表现亮眼，使用上手难度较低，交互页面简洁直观适配不同工况场景展现出良好适应性及扩展可能，满足复杂多样的现实所需。后续研究重心将分散至多个方向，像是系统低功耗的优化、定位导航功能的添加、检测气体种类的扩充、人机交互体验的改善以及数据分析能力的强化，目标是促使系统在安全性能、实用性与智能化层级再度攀升，进而为矿井作业安全以及矿工人身安全保障提供更为有力的技术支撑。参考文献参考文献尚守恭.煤矿安全监测控制系统的现状及应用[J].山西科技,2015,30(01):122-123.黄志敏.智能控制在矿山机电一体化系统中的应用[J].内蒙古煤炭经济,2021(15):2.李旭东,张明,田大兵,等.一种煤矿安全监测报警控制系统:,CN110195614A[P].2019.孟鑫博.煤矿安全监测监控系统防治无信号、误报警应用技术研究[J].内蒙古煤炭经济,2018(9):3.王启峰,祝国源,孙小进.基于FPGA的煤矿安全监控系统监控分站的设计[J].工矿自动化,2020(10):3.郑英华,王勇,侯媛彬.基于DSP的双局扇监测监控系统下位机的设计与实现[C]//全国煤矿自动化学术年会暨中国煤炭学会自动化专业委员会学术会议.2020.冀汶莉.煤矿安全综合监控系统的数据集成与应用研究[D].西安科技大学.2021.徐斌,杜慧华,徐军,等.一种煤炭地下气化矿井式气化炉安全保障系统:,CN210738541U[P].2020.王功进.浅谈瓦斯监测系统的管理[J].煤炭技术,2004,23(011):76-77.徐维维,胡亚非,李解.基于S7-300和Wincc的矿井通风机监测监控系统[J].煤矿安全,2019,42(7):3.费玲玲.基于ARM