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基于ZigBee技术的矿井智能头盔

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来源: 作者: 2018-10-29 10:30:15

基于ZigBee技术的矿井智能头盔

导读:

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。

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,利用现有的通信络,设计出一款新型智能头盔,使用ZigBee技术组建无线传感器络,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。  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。  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。

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