CN103478963A - 一种煤矿井下安全监控智能头盔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下安全监控智能头盔，包括数据采集模块、数据预处理模块，处理器模块、电源模块、ZigBee无线通信模块、Wifi无线通信模块、惯性导航模块、存储器模块、报警模块。本头盔集环境监测、人员定位、视频监控、语音通信等功能于一体，实现了矿井参数无线采集、自动存储、判断和险情报警，实时跟踪井下人员的位置信息和井下环境的视频信息，实现了井下和地面的人性化语音互动。其中涉及了两种不同的无线通信方式：ZigBee和WiFi。ZigBee网络具有自组织和自调整特性，有良好的灵活性、可拓展性，而WiFi（Wireless Fidelity）则具有数据传输速率快，兼容性强，安全可靠。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全监控领域，更具体地，涉及一种煤矿井下安全监控智能头盔。
背景技术
随着我国经济的快速发展，能源需求越来越多，而煤炭依然是我国的主要能源供应，是国民民经济和社会发展的基础。然而煤矿历来是高危行业，煤矿安全在煤矿生产中占有特别重要的地位。近年来，我国煤矿安全生产工作取得了很大成就，但仍面临着严峻的安全生产形势。
目前，我国很多矿山生产现场还处于有线传感器接到一个终端进行检测和控制，不仅增加了成本而且不利于整体的检测和控制，有些地方由于环境因素无法铺设有线传感器和控制终端，因此容易出现监控盲点。所以大多的矿山生产现场需要一个无线的、移动性强、可靠性高、低功耗、实时性强的监控装置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种煤矿井下实时安全监控的智能头盔，用以解决现有技术中煤矿井下实时安全监控的成本较高、检测及控制不便的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种煤矿井下实时安全监控的智能头盔，其特征在于，所述智能头盔包括数据采集模块、数据预处理模块、处理器模块、电源模块、ZigBee无线通信模块、Wifi无线通信模块、惯性导航模块、存储器模块、报警模块，其中：
所述数据采集模块通过所述数据预处理模块与所述处理器模块相连，所述数据采集模块用于对井下环境进行实时数据采集并将所述采集到的数据发送到数据预处理模块，所述数据预处理模块对所述采集到的数据进行预处理后发送给所述处理器模块；
所述电源模块与所述处理器模块相连，用于为所述智能头盔供电；
所述ZigBee无线通信模块与所述处理器模块相连，用于发送环境参数和人员位置信息；
所述Wifi无线通信模块与所述处理器模块相连，用于发送语音和视频数据；
所述惯性导航模块与所述处理器模块相连，用于辅助定位；
所述报警模块用于报警；
所述处理器模块用于控制和协同所述智能头盔中其他模块的工作。
具体的，所述数据采集模块包括温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、风速传感器、烟雾传感器、煤尘传感器中的一种或多种，还包括语音传感器、CMOS摄像头；所述温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、风速传感器、烟雾传感器、煤尘传感器等传感器用于采集煤矿井下各种环境参数，所述语音传感器用于井下人员跟地面的语音通信，所述CMOS摄像头用于采集矿井下的视频信息。
所述数据预处理模块把每个传感器采集到的数据进行预处理并将所述预处理后的数据发送到所述处理器模块，其中所述预处理包括AD转换或信号功率放大。
所述处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，处理和分析本身节点采集的数据以及其他节点发来的数据，管理无线网络的接入、数据传输的路由选择，采用嵌入操作系统，并将ZigBee技术和WiFi技术嵌入无线网络控制器。
所述惯性导航模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计，根据惯性导航的自主性，用于辅助和补充无线网络的定位。
所述电源模块采用直流变压芯片将矿下便携式锂电池的电压转换为头盔每个模块所需的电压。
所述存储器模块为可拆卸的闪存存储器。
所述ZigBee无线通信模块用于发送环境参数和人员位置信息，所述处理器模块将温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、风速传感器、烟雾传感器、煤尘传感器和惯性导航模块的数据打包，通过ZigBee无线传输模块发送出去。
所述WiFi无线通信模块用于发送语音和视频信息。
所述报警模块包括语音报警和灯光报警，如果所述处理器模块判断出所述环境参数超出预设阈值，所述处理器模块触发报警模块报警，否则不报警。
本发明所提供的煤矿井下实时安全监控的智能头盔，集环境监测、人员定位、视频监控、语音通信等功能于一体，实现了矿井参数无线采集、自动存储、判断和报警，实时跟踪井下人员的位置信息和井下环境的视频信息，实现了井下和地面的人性化语音互动。其中涉及了两种不同的无线通信方式：ZigBee和WiFi。ZigBee网络具有自组织和自调整特性，有良好的灵活性、可拓展性，而WiFi（Wireless Fidelity）则具有数据传输速率快，兼容性强，安全可靠。两种无线通信方式的有效结合满足了煤矿井下恶劣特殊的环境和保障数据的实时通信，因此保证煤矿井下安全监控的实时性和有效性，可以提高矿井安全系统数据传输性能和效率，为减少矿井事故的发生起到了很好的保障作用。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
随着科学技术的发展，煤矿安全监控系统得到了飞速的发展。但是目前很多矿山还存在有线监测、单一控制的局面，容易出现监测盲点，很难达到有效的监控效果。所以本发明提出了一种无线的、移动性强、可靠性高、低功耗、实时性强的煤矿安全监控智能头盔。
如图1所示，所述智能头盔包括数据采集模块、数据预处理模块、处理器模块、电源模块、ZigBee无线通信模块、Wifi无线通信模块、惯性导航模块、存储器模块、报警模块。其中：
所述数据采集模块通过所述数据预处理模块与所述处理器模块相连，所述数据采集模块用于对井下环境进行实时数据采集并将所述采集到的数据发送到数据预处理模块，所述数据预处理模块对所述采集到的数据进行预处理后发送给所述处理器模块；
所述电源模块与所述处理器模块相连，用于为所述智能头盔供电；
所述ZigBee无线通信模块与所述处理器模块相连，用于发送环境参数和人员位置信息；
所述Wifi无线通信模块与所述处理器模块相连，用于发送语音和视频数据；
所述惯性导航模块与所述处理器模块相连，用于辅助定位；
所述报警模块用于报警；
所述处理器模块用于控制和协同所述智能头盔中其他模块的工作。
具体的：
所述数据采集模块包括温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、风速传感器、烟雾传感器、煤尘传感器中的一种或多种，还包括语音传感器、CMOS摄像头；所述温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、风速传感器、烟雾传感器、煤尘传感器等传感器用于采集煤矿井下各种环境参数，所述语音传感器用于井下人员跟地面的语音通信，所述CMOS摄像头用于采集矿井下的视频信息。
所述数据预处理模块把每个传感器采集到的数据进行预处理并将所述预处理后的数据发送到所述处理器模块，其中所述预处理包括AD转换或信号功率放大。
所述处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，处理和分析本身节点采集的数据以及其他节点发来的数据，管理无线网络的接入、数据传输的路由选择，采用嵌入操作系统，并将ZigBee技术和WiFi技术嵌入无线网络控制器。
所述惯性导航模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计，是一个9自由度惯性模块，根据惯性导航的自主性，可以辅助和补充无线网络的定位，达到人员定位的准确性。
所述电源模块采用直流变压芯片将矿下便携式锂电池的电压转换为头盔每个模块所需的电压。
所述存储器模块为可拆卸的闪存存储器，具有掉电自保护、非易失性、存储量大等特性，起到“黑盒子”的作用。
所述ZigBee无线通信模块用于发送环境参数和人员位置信息，所述处理器模块将温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、风速传感器、烟雾传感器、煤尘传感器和惯性导航模块的数据打包，通过ZigBee无线传输模块发送出去。同时ZigBee模块可以测量本身节点跟周围汇聚节点（参考节点）之间的无线信号强度，然后通过处理器处理，根据RSSI（Received SignalStrength Indication）无线定位原理，可以大概估算人员位置信息。
所述WiFi无线通信模块用于发送语音和视频信息。由于语音和视频的信息量比较大，通过其他无线方式很难实现，所以通过WiFi无线通信进行发送，可以满足实时性的要求。
所述报警模块包括语音报警和灯光报警，如果所述处理器模块判断出所述环境参数超出预设阈值，所述处理器模块触发报警模块报警，否则不报警。
基于上述智能头盔的结构，所述智能头盔的工作原理为：
数据采集模块包括温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、风速传感器、烟雾传感器、煤尘传感器、语音传感器、CMOS摄像头。其中温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、风速传感器、烟雾传感器、煤尘传感器等采集煤矿井下的环境参数，并通过处理器模块AD转换，功率放大之后传到处理器模块，经过处理器的处理打包之后，通过ZigBee无线通信模块发送到协调器，再由协调器通过交换机上传回地面监控中心。同时，把环境参数信息自动存储到闪存中，并判断是否超限，如果超限，就触发报警模块报警，包括语音报警和灯光报警。
CMOS摄像头采集视频信息，通过数据预处理模块进行预处理，然后通过处理器模块进行硬件压缩和编码，最后通过WiFi无线通信模块发送回地面监控中心，同时以文件格式存储到闪存中。通过语音传感器采集井下人员的语音，通过处理器模块编码，最后通过WiFi发送到地面监控中心，地面监控中心的语音则通过WiFi发送到处理器模块,然后通过解码，最后经过耳机到达井下人员的耳朵，这样就可以实现井下和地面的语音通话。
人员定位采用RSSI无线定位和惯性导航相结合的方法。首先ZigBee无线通信模块测量本身节点跟周围汇聚节点（参考节点）之间的无线信号强度，然后通过处理器处理，根据RSSI（Received Signal StrengthIndication）无线定位原理，可以大概估算人员位置信息。由三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计组成的一个9自由度惯性模块，由于自主性不受外界的干扰，可以修正和协助无线传感器的定位，最终得到井下人员的位置信息。
本发明所提供的煤矿井下实时安全监控的智能头盔，集环境监测、人员定位、视频监控、语音通信等功能于一体，实现了矿井参数无线采集、自动存储、判断和报警，实时跟踪井下人员的位置信息和视频信息，实现了井下和地面的人性化语音交流。其中涉及了两种不同的无线通信方式：ZigBee和WiFi。ZigBee网络具有自组织和自调整特性，有良好的灵活性、可拓展性，而WiFi（Wireless Fidelity）则具有数据传输速率快，兼容性强，安全可靠。两种无线通信方式的有效结合满足了煤矿井下恶劣特殊的环境和保障数据的实时通信，因此保证了煤矿井下安全监控的实时性和有效性，可以提高矿井安全系统数据传输性能和效率，为减少矿井事故的发生起到了很好的保障作用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤矿井下实时安全监控的智能头盔，其特征在于，所述智能头盔包括数据采集模块、数据预处理模块、处理器模块、电源模块、ZigBee无线通信模块、Wifi无线通信模块、惯性导航模块、存储器模块、报警模块，其中：
所述数据采集模块通过所述数据预处理模块与所述处理器模块相连，所述数据采集模块用于对井下环境进行实时数据采集并将所述采集到的数据发送到数据预处理模块，所述数据预处理模块对所述采集到的数据进行预处理后发送给所述处理器模块；
所述电源模块与所述处理器模块相连，用于为所述智能头盔供电；
所述ZigBee无线通信模块与所述处理器模块相连，用于发送环境参数和人员位置信息；
所述Wifi无线通信模块与所述处理器模块相连，用于发送语音和视频数据；
所述惯性导航模块与所述处理器模块相连，用于辅助定位；
所述报警模块用于报警；
所述处理器模块用于控制和协同所述智能头盔中其他模块的工作。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下实时安全监控的智能头盔，其特征在于，所述数据采集模块包括温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、风速传感器、烟雾传感器、煤尘传感器中的一种或多种，还包括语音传感器、CMOS摄像头；所述温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、风速传感器、烟雾传感器、煤尘传感器等传感器用于采集煤矿井下各种环境参数，所述语音传感器用于井下人员跟地面的语音通信，所述CMOS摄像头用于采集矿井下的视频信息。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下实时安全监控的智能头盔，其特征在于，所述数据预处理模块把每个传感器采集到的数据进行预处理并将所述预处理后的数据发送到所述处理器模块，其中所述预处理包括AD转换或信号功率放大。
4.根据权利要求1所述的煤矿井下实时安全监控的智能头盔，其特征在于，所述处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，处理和分析本身节点采集的数据以及其他节点发来的数据，管理无线网络的接入、数据传输的路由选择，采用嵌入操作系统，将ZigBee技术和WiFi技术嵌入无线网络控制器。
5.根据权利要求1所述的煤矿井下实时安全监控的智能头盔，其特征在于，所述惯性导航模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计，根据惯性导航的自主性，用于辅助和补充无线网络的定位。
6.根据权利要求1所述的煤矿井下实时安全监控的智能头盔，其特征在于，所述电源模块采用直流变压芯片将矿下便携式锂电池的电压转换为头盔每个模块所需的电压。
7.根据权利要求1所述的煤矿井下实时安全监控的智能头盔，其特征在于，所述存储器模块为可拆卸的闪存存储器。
8.根据权利要求1所述的煤矿井下实时安全监控的智能头盔，其特征在于，所述ZigBee无线通信模块用于发送环境参数和人员位置信息，所述处理器模块将温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、风速传感器、烟雾传感器、煤尘传感器和惯性导航模块的数据打包，通过ZigBee无线传输模块发送出去。
9.根据权利要求1所述的煤矿井下实时安全监控的智能头盔，其特征在于，所述WiFi无线通信模块用于发送语音和视频信息。
10.根据权利要求1所述的煤矿井下实时安全监控的智能头盔，其特征在于，所述报警模块包括语音报警和灯光报警，如果所述处理器模块判断出所述环境参数超出预设阈值，所述处理器模块触发报警模块报警，否则不报警。
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