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基于ZigBee技术的矿井智能头盔

来源:OFweek   编辑:第一物联网

  摘要:煤矿瓦斯检测点由于安装位置较远,瓦斯浓度信号滞后,已经严重影响了煤矿的安全生产。以ZigBee无线通信协议为研究对象,选用902~928MHz的频段,构建超低功耗无线传感器网络。使用嵌入式操作系统,打造智能头盔语音终端,作为无线传感器网络节点,实时采集井下环境的各项参数。提出了一种新颖的煤矿安全监测方案,实现对矿区瓦斯浓度、温度、湿度的在线监测和智能预警,还可以使用无线语音通话通信功能,及时与地面控制中心沟通,以进一步降低煤矿生产中的安全隐患。实践证明,该方案对于井下复杂的工况具有一定的可行性和应用性。

  1引言

  近年来矿难事故的不断发生,暴露出当前监控系统的许多弊端:煤矿安全技术上相对落后,生产信息化程度低,使得井下安全信息不能及时反馈到地面生产

  控制中心。目前,我国大中型煤矿已经装备了大量井下通信设备,组建了地下网络,很大程度上改善了我国煤矿安全生产状况。ZigBee是一种新型的短距离无线通信技术,其低功耗、低成本的特点适合于井下的无线通信领域;而LED矿灯安全帽因其能耗低、电池重量轻的优点受到矿区的普遍欢迎。本文结合两者优点,利用现有的通信网络,设计出一款新型智能头盔,使用ZigBee技术组建无线传感器网络,移动采集井下实时工作环境的温度、湿度等参数,返回地面控制中心,而且无线语音通话可以及时和中心沟通生产情况,构建煤矿安全生产的信息化网络管理平台。

  2总体方案

  2.1 ZigBee技术

  ZigBee是一种以IEEE802.15.4协议为基础的无线通信标准,能够工作在3个不同的免执照频段上:全球通用的频段是2.400~2.484GHz;欧洲采用的频段是868.0~868.6MHz;美国采用的频段是902~928MHz。ZigBee的有效传输距离为10~75m,传输速率可以采用250、20和40kb/s,此技术的最显著特点是它的低功耗和低成本,适合于矿山自动控制领域。

  2. 2 方案架构

  ZigBee 方案的总体框图如图1 所示。

基于ZigBee技术的矿井智能头盔

  图1 ZigBee 方案的总体框图

  在地下矿井铺设通信电缆,巷道内根据需要架设无线基站,矿工的LED矿灯安全帽中植入ZigBee通信模块(供电由矿灯的充电电池供电),建立起ZigBee无线网络。无线基站实时获得由矿工的智能头盔移动采集的各项参数,经过通信电缆返回地面监控中心。监控中心还可以通过网络向井下传达语音指令,不同作业面的矿工之间也可以通过无线基站进行语言交流,互相之间保持畅通联系,无论是正常工作环境,还是应对发生突发事件,都是一种很好的安全监测方案。

  3硬件电路设计

  3.1硬件电路框图

  无线智能头盔的设备主要包括嵌入式处理器、ZigBee通信模块、传感器模块、电源、MIC放大电路、话音功率放大、语音编解码电路。其中,处理器选用三星ARM7系列的S3C44B0X芯片,ZigBee通信模块选用Chipcon公司的CC2420射频芯片,其硬件电路框图如图2所示。

基于ZigBee技术的矿井智能头盔

  图2 硬件电路框图

  S3C44B0X处理器是电路的核心,采集的温度、湿度、瓦斯浓度信号,经CC2420无线模块送入ZigBee网络;当瓦斯浓度大于4%时,则直接经CMX639解码电路发出报警声音。若想通话,使用键盘拨号,经ZigBee模块送入地面交换中心,对方空闲返回提示音,接通后,由耳麦、CMX639编解码电路,双方正常通话。

  3. 2 嵌入式处理器

  S3C44B0X 处理器采用ARM7TDMI 核心,是一款低功耗、高性能32 位RISC 微处理器,主频达64 MHz,板载接口丰富,支持μCOS-II 和μCLinux 等操作系统。

  3. 3 射频收发模块

  射频模块选用Chipcon公司的CC2420。CC2420的主要特点:一款符合IEEE802.15.4规范的2.4GHz射频芯片,只需极少外部元器件,可确保短距离通信的有效性和可靠性,系统成本低,性能稳定且功耗极低。利用此芯片开发的ZigBee无线通信设备,支持数据传输率高达250kb/s,码片速率达2MChip/s,可以实现多点对多点的快速组网。射频电路图如图3所示,以S3C44B0X 嵌入式处理器和射频发射芯片为核心,辅以外围放大电路与滤波电路实现语音通信。

基于ZigBee技术的矿井智能头盔

  图3 射频电路图

  3. 4 温、湿度传感模块

  温、湿度传感模块设计采用I2C总线的数字式温湿度传感器SHT11。SHT11的主要特点:温度量程为-40~+85℃,相对湿度量程为0~100%RH;低功耗、响应时间短、可完全浸没;温度测量精度±0.4℃,湿度测量精度±3.0%RH。SHT11工作时将温湿校准系数预存在OTP内存中,经校准的温度与相对湿度送入片内的14位A/D转换器,然后将转换后的温湿度值送I2C总线。

  3. 5 瓦斯传感模块

  瓦斯检测模块采用低功耗的瓦斯传感器TP-I1A。TP-I1A是一种热传导式气体传感器,其工作原理是当被测气体的成分不变而浓度发生变化时,浓度与电阻值变化成线性比例关系。TP-I1A具有工作时低功耗、无需加热、精度高,使用电路简单等优点,工作电压为6V,负载电阻51Ω,静态功耗小于210mW,工作温度-40~+70℃。

  4 结语

  本文提出了一种使用智能头盔作为井下超低功耗的无线传感器网络节点与语音终端的煤矿安全监测方案,能够实现对矿区瓦斯浓度、温度、湿度实时监测和智能预警,并使用语音通信功能以进一步降低煤矿生产中的安全隐患。

  ZigBee 无线传感器网络具有覆盖面积大、组网灵活、支持结点多、成本低廉、能耗低等特点,采用此技术的新型智能头盔能够满足井下安全生产管理的需要。今后的工作可以结合ZigBee 无线网络定位技术,实现井下人员准确定位,及时掌握矿工的动态分布情况,以进一步完成更复杂的监测与救援任务。

关键字:智能头盔
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