CN103776319B - 一种电点火头的智能接口 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电点火头智能接口，包括电连接单元、能量管理单元、点火控制及端口传感单元、通信单元、信息处理及存储单元、定时单元、传感单元。能够为电起爆装置提供一种智能化的具有适应环境自动决策的能力，并组成网络形成群体行为。采用本发明的电点火头的智能接口，可以组织大规模智能化爆破网络，通过信息处理及存储单元内设置的算法提供通信和更为精准的控制，为电起爆装置提供对静电和电磁危害的防护，使电起爆装置在日趋复杂的电磁环境下安全工作。

Description

一种电点火头的智能接口

技术领域

本发明涉及火工品领域的各种电起爆装置的电点火头的智能接口，如：电子雷管、安全气囊、作动器、消防弹、降雨弹及各种电起爆装置控制电点火头的智能接口，该智能接口适用于将电点火头与上述各种电起爆装置与物联网连接。

背景技术

电点火头是各种电起爆装置的激发源，具有控制方便的特点，只要加入合适的电流就会点燃发火药剂，使起爆装置引爆。同时，这也就极易被静电、杂散电流和电磁辐射引爆，造成人员和物质损失。并且由于使用简单也容易被非法使用，对社会造成危害。以往的研究主要集中在改进药剂上，诸如：如何提高电起爆的反应速度，增加药剂对刺激的钝感度，目的是为了满足起爆控制精度及使用安全的需要。可是，这些改进都是基于平衡药剂特性和热设计，其改进工作变得非常复杂而漫长。

电起爆控制的另一个重要方面是系统控制和管理，需要一个方便的接口，使其便于组成网络，以完成各种复杂的控制任务。例如，通过物联网对爆破事件的控制，对消防系统的自动控制，安全气囊的扩展应用，降雨弹的智能化等等。有些方法，诸如：电子雷管虽然具有控制功能但缺乏网络环境感知功能，使得在网络环境下使用变得非常困难，不能进行更高精度和更可靠的控制和管理，尤其是不能进行监控。此外，现有电子雷管的安全性也有待于改进。改进的另外一个方面是采用信息融合算法提高控制精度和可靠性。

发明内容

本发明目的在于，提供一种电点火头的智能化接口，该智能化接口具有传感功能，能够把电起爆装置和物联网联接起来，为电起爆装置提供通信、识别、网络环境检测和精确控制（如定时及时序控制，事件触发）功能，并且，具有一个更为安全的点火控制结构。可为电点火头提供一个智能化平台，以便通过软件实现电点火头智能化。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种电点火头的智能接口，其特征在于，包括：

一电连接单元，用于和外界连接；

一能量管理单元，用于能量储存、上电管理和提供合适的电压；

一点火控制及端口传感单元，用于输出能量及网络状态、能量检测；

一通信单元，用于信号的调制解调；

一信息处理及存储单元，由中央处理器、存储器、A/D转换器和逻辑控制电路组成，其中，中央处理器用于通信、延期时间补偿和控制；

一定时单元，用于延期计时；

一传感单元，用于现场物理状态检测；

电连接单元分别与通信单元和点火控制及端口传感器单元相连接，通信单元连接信息处理及存储单元，信息处理及存储单元分别连接定时单元和传感单元。

信息处理及存储单元、定时单元是任意一种MCU、DSP、SOC或FPGA；

所述的能量管理单元中的能量的储存是电容、超级电容或电池。

所述的能量管理单元中还有能量收集器。

所述的点火控制及端口传感器单元由四个开关管和传感器构成，所述的开关管是各种二极管、双极晶体管或MOS管。

本发明的电点火头的智能接口，能够为电起爆装置提供一种智能化的具有适应环境自动决策的能力，并组成网络形成群体行为。采用本发明的电点火头的智能接口，可以组织大规模智能化爆破网络，分布式车辆防碰撞系统，人员防摔伤系统，自动消防系统，自动降雨系统以及各种智能化自动打开装置。为电起爆装置提供对静电和电磁危害的防护，使电起爆装置在日趋复杂的电磁环境下安全工作。

附图说明

图1是本发明的电点火头的智能接口的方框图；

图2是点火控制及端口传感器单元的方框图；

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

参见图1，本实施例给出电点火头智能接口的具体结构，由电连接单元、通信单元、信息处理及存储单元、定时单元、能量管理单元、传感单元、点火控制及端口传感器单元构成，电连接单元分别与通信单元和点火控制及端口传感器单元相连接，通信单元连接信息处理及存储单元，信息处理及存储单元分别连接定时单元和传感单元。通过配置不同的传感器和软件实现各种智能化电起爆任务，诸如：身份识别、现场信息监测、通信、定时、报警、起爆控制等。其中：

点火控制及端口传感单元中至少有两个以上传感器，即至少一个端口传感器和一个温度传感器。

信息处理及存储单元，由中央处理器、存储器、A/D转换器和逻辑控制电路组成，其中，中央处理器用于通信、延期时间补偿和控制处理；

存储器用于存储接口身份（如ID码）和补偿数据。

逻辑控制电路用于改变各开关管的控制逻辑，通过改变各开关管的控制逻辑以实现对点火控制单元的在线诊断，比如对某开关的功能检测。

在中央处理器中还设有信息融合算法，通过传感单元的检测数据，控制逻辑控制电路，自动修改定时单元的参数，完成对制造工艺中的散差、环境（如温度、网络等）及执行机构特性的补偿，以及对点火执行条件的判断，对接口环境的监测，实现网络监控和智能化电起爆控制。

一个补充是，增加不同的传感器使其具有更多的智能，如加速度、振动、湿度、高度、烟雾、人体感应等传感器。

通信单元由两个开关构成基本调制解调电路，一个电压开关用于感知输入端口的变化，一个电流开关用于发送信息处理及存储单元的信息。通过信息处理及存储单元的中央处理器可以实现各种通信模式的通信，如调频、调相制式，数字、模拟信号，曼彻斯特、米勒各种编码，可以采用单一模式或混合模式通信，本实施例中特别采用混合模式通信以方便与各种网络状态的兼容。

一点火控制及端口传感单元，由至少四个开关管构成四重保险点火控制电路，开关管可以是各种二极管、双极晶体管或MOS管，电点火头连接在第三开关管K3和第四开关管K4之间，第一开关管K1和第二开关管K2连接电容。其中，第一开关管K1是能量输入控制电路，第二开关管K2是放电控制电路，第三开关管K3是点火使能电路、第四开关管K4是点火控制电路。其点火状态相当于4个开关管串联，每个开关管有2种故障模式，构成16种故障组合，只有其中的一种故障组合，即第一开关管K1、第三开关管K3、第四开关管K4同时短路并且第二开关管K2开路时才会出现误点火，使安全性提高了1个数量级以上，由此形成高安全机制。对于由串联机制造成的可靠性降低，通过端口传感器实时检测点火控制电路各个部分的状态加以解决，保证了点火功能可靠性的本质提高。

能量管理单元用于收集能量、上电管理和提供合适的电压，能量的提供可以是电容、超级电容或电池。一个补充是增加一个能量收集器，以适应无人职守；

电连接单元具有静电防护泄放通路，形成抵御ESD及EMC侵害的单总线智能接口。扩展的应用是用天线单元替代电连接单元，形成一个无线智能接口；

本实施例中，信息处理及存储单元、定时单元，可以是任意一种MCU、DSP、SOC或FPGA，其中，定时单元也可以是采用ASIC设计的集成电路芯片。

在信息处理及存储单元中还设有信息融合算法，特别是基于输出能量的电点火头预期发火时间补偿算法。

首选的具体实施例中，本实施例给出一种电点火头的智能接口与同步智能雷管连接的实例，该电点火头的智能接口与电子雷管连接起来，用于控制电子雷管网络的同步起爆，通过各电子雷管起爆延时时间的微调，例如制造工艺的散差、网络分布偏差和温度对电点火头点火时间特性的影响，通过在信息处理及存储单元中的中央处理器设置的信息融合算法，使各雷管最终起爆时刻一致，使得爆破网络的同步误差显著减小。通过检测及发送电子雷管及爆破现场的状态信息，对爆破网络进行诊断和故障定位，对可能出现的瞎火具有预先感知能力。这种电子雷管和物联网连接，可以远程控制爆破事件。

所述信息融合算法在本实例中为一种电点火头发火时间预期补偿算法，用于电子雷管中进行延期补偿，以获取更高的延期精度。其原理是，电子雷管的电点火头通过将加在其上的电能量转化成焦耳热，对覆在其桥丝上的点火药剂加热，当药剂被加热到爆发点温度时，点火头引燃发火使电子雷管爆炸。由此形成的发火时间和加在其上电能量成反比，和其电桥电阻成正比，和药剂所处的环境温度成反比。

由于制造工艺原因及使用环境影响，所述各要素均为变量并由此形成散差，导致实际延期时间与预期的延期时间不一致，而形成延期误差。在本实施例中，信息融合算法以各要素的最短发火时间为零点，设置一个点火启动提前量来对各要素的误差进行补偿。由试验获取各要素滞后时间的统计数据，形成加权补偿数据表存入存储器中。通过测量电点火头电桥电阻，发火电容容量、电容电压及温度等变量，查补偿数据表获得一个点火提前量补偿数据，累加各要素的补偿数据，得到一个经信息融合的补偿数据，以此确定接口点火启动提前量，得到各雷管爆炸时刻与预期设计的最终一致。

另一个扩展是该电点火头的智能接口与人体感应传感器和安全起爆器连接的实例，该电点火头的智能接口是集成了人体感应传感器的安全起爆器，在有人员靠近时锁死起爆装置并发声光警示，在人员离开监测范围足够长的时间后解锁，以此保证爆破作业安全。

另一个扩展的是该电点火头的智能接口与智能降雨弹连接的具体实例，该电点火头的智能接口集成了湿度和高度传感器，在最适宜成雨的空中位置起动催化剂布撒，通过物联网将分布在各处的降雨弹联结，可以控制增雨；

再一个扩展的例子是该电点火头的智能接口与分布式车辆安全气囊系统相连接，该电点火头的智能接口集成了MEMS加速度传感器，并与各个安全气囊或安全带预紧装置中的气体发生器连接起来，这些安全气囊或安全带预紧装置布置在需要防护的位置，通过单总线或无线联结形成分布的全方位防护系统。受到碰撞部位的装置，将系统信息（如车速、乘员位置和重量）通过接口导入，融合算法将系统信息和碰撞部位的加速度信息融合，以确定是否起爆相应的电起爆装置执行安全保护，以实现对碰撞事故的安全防护。一个扩展的应用是将这种系统用于单个人体防护，如老人跌倒防护或高空作业的人跌落防护。

再一个扩展是该电点火头的智能接口与智能消防系统相连接，该电点火头的智能接口集成了烟雾传感器构成智能灭火弹，形成一个防火网络，可以感知火源并将信息传送给物联网，通过融合算法滤掉虚惊信息，并根据火源及火势发展，确定消防弹作用时序，形成灭火弹群体灭火能力。

Claims (7)

1.一种与物联网连接的电点火头的智能接口，其特征在于，包括：

一电连接单元，用于和外界连接；

一能量管理单元，用于能量储存、上电管理和提供合适的电压；

一点火控制及端口传感单元，用于输出能量及网络状态、能量检测；

一通信单元，用于信号的调制解调；

一信息处理及存储单元，由中央处理器、存储器、A/D转换器和逻辑控制电路组成，其中，中央处理器用于通信、延期时间补偿和控制处理；

一定时单元，用于延期计时；

一传感单元，用于现场物理状态检测；

电连接单元分别与通信单元和点火控制及端口传感单元相连接，通信单元连接信息处理及存储单元，信息处理及存储单元分别连接定时单元和传感单元。

2.如权利要求1所述的与物联网连接的电点火头的智能接口，其特征在于，所述的通信单元由电压开关和电流开关构成，电压开关用于感知输入端口的变化，电流开关用于发送信息。

3.如权利要求1所述的与物联网连接的电点火头的智能接口，其特征在于，所述的信息处理及存储单元、定时单元是一种MCU、DSP、SOC或FPGA。

4.如权利要求1所述的与物联网连接的电点火头的智能接口，其特征在于，所述的能量管理单元中的能量的储存是电容或电池。

5.如权利要求4所述的与物联网连接的电点火头的智能接口，其特征在于，所述的能量管理单元中还有能量收集器。

6.如权利要求1所述的与物联网连接的电点火头的智能接口，其特征在于，所述的点火控制及端口传感单元中至少有两个以上传感器，包括端口传感器和温度传感器。

7.如权利要求1所述的与物联网连接的电点火头的智能接口，其特征在于，所述的点火控制及端口传感单元由四个开关管和传感器构成，所述的开关管是各种开关二极管、双极晶体管或MOS管。