CN105124843A - 一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽 - Google Patents

一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽 Download PDF

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李震
洪添胜
方武宣
吕石磊
邱汉
宋淑然
代秋芳
高泽锋
徐智皓
莫锦华
蓝运河
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South China Agricultural University
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    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽，包括有安全帽本体，所述安全帽本体上设置有中央处理模块、射频模块、气体传感器和矿灯，所述中央处理模块包括有中央处理器、定位装置、调整放大器和供电模块，所述定位装置和射频模块均与中央处理器连接，所述气体传感器通过调整放大器与中央处理器连接，所述供电模块分别与中央处理器和矿灯连接。本发明利用射频模块可实现多个安全帽之间的拓扑连接，缩短了信息的传输路径从而减少能耗，增强了供电模块的续航能力；同时通过GPS模块与加速度传感器的结合，不仅降低硬件成本，而且同样实现了精确定位。本发明作为一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽可广泛应用于安全监控领域。

Description

一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽
技术领域
本发明涉及安全监控领域，尤其是一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽。
背景技术
目前，生产设施的安全问题越来越引起国家的重视。以地下矿井为例，目前国内的安全监测主要实现井下采集数据功能，但没有和井上的调度充分结合，本发明同时还可应用于非矿区的工作场所。矿井安全生产在中国已是刻不容缓需要解决的难题，目前的防护设备都是在原来穿工作服，戴安全帽的基础上，需要额外佩戴，在使用过程中会给工人造成累赘、麻烦的负面影响。此外，目前的技术无法实现与监测中心的联系，难以保证井下人员的生命安全；在定位算法上多采用RSSI定位算法，其缺点在于硬件成本高。除矿井之外，在其他各种类型的作业现场均存在上述安全问题，尤其是在发生事故时如何确定作业人员的具体位置、缩短搜救时间，现有技术仍然存在一定的不足。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种佩戴方便、定位准确、具有瓦斯实时监测、危险报警的基于无线传感网络技术的多功能安全帽。
本发明所采用的技术方案是：一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽，包括有安全帽本体，所述安全帽本体上设置有中央处理模块、射频模块、气体传感器和矿灯，所述中央处理模块包括有中央处理器、定位装置、调整放大器和供电模块，所述定位装置和射频模块均与中央处理器连接，所述气体传感器通过调整放大器与中央处理器连接，所述供电模块分别与中央处理器和矿灯连接。
进一步，所述射频模块用于与其他安全帽本体上设置的射频模块组成拓扑结构，进而将信息通过最近的其他安全帽本体上设置的射频模块发送至与监测中心连接的中心节点。
进一步，所述射频模块内部包括有状态寄存器、配置寄存器、发射地址寄存器、发射数据寄存器和数据接收寄存器。
进一步，所述射频模块内部包括有信息防碰撞系统和数据有效接收系统，所述数据有效接收子模块包括有载波检测子模块、地址匹配子模块和自动重发子模块。
进一步，所述定位装置包括有GPS模块和加速度传感器，所述GPS模块和加速度传感器均与中央处理器连接。
进一步，所述加速度传感器采用具有卡尔曼动态滤波功能的MPU6050。
进一步，所述气体传感器为瓦斯传感器。
进一步，所述气体传感器的个数为2，分别设置于安全帽本体的两侧。
进一步，所述矿灯包括有可拆卸式LED灯和可旋转式底座。
进一步，所述供电模块包括有蓄电池、稳压子模块和充电电路。
本发明的有益效果是：本发明利用射频模块可实现多个安全帽之间的拓扑连接，缩短了信息的传输路径从而减少能耗，增强了供电模块的续航能力；同时通过GPS模块与加速度传感器的结合，不仅降低硬件成本，而且同样实现了精确定位。
附图说明
图1为本发明的内部电路结构框图；
图2为本发明实物立体图；
图3为本发明实物俯视图；
图4为本发明的气体检测步骤流程图；
图5为本发明实际应用中的拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
参照图1-3，一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽，包括有安全帽本体6，所述安全帽本体6上设置有中央处理模块1、射频模块2、气体传感器和矿灯4，所述中央处理模块包括有中央处理器、定位装置、调整放大器和供电模块，所述定位装置和射频模块2均与中央处理器连接，所述气体传感器3通过调整放大器与中央处理器连接，所述供电模块分别与中央处理器和矿灯4连接。
参照图5，进一步作为优选的实施方式，所述射频模块2用于与其他安全帽本体上设置的射频模块组成拓扑结构，进而将信息通过最近的其他安全帽本体上设置的射频模块发送至与拓扑结构中监测中心连接的中心节点。
所述射频模块2通过其他移动节点（即其他安全帽本体上设置的射频模块）采取广播的形式将信息传输到距离最近的节点，该节点再通过多级定点传输将信息传输到中心节点，最后中心节点通过线缆将信息传输到监测中心。
当矿井工人头戴本发明中的安全帽进行井下作业时，该安全帽能够实时监测井下的信息，包括瓦斯浓度以及作业位置，并通过无线传感网络传回井上的监测中心，实现实时的监测。当井下出现异常情况时，安全帽会发出报警信号，提醒人员迅速撤离，同时，报警信号传回监测中心，方便井上人员的指导与营救工作。
进一步作为优选的实施方式，所述射频模块内部包括有状态寄存器、配置寄存器、发射地址寄存器、发射数据寄存器和数据接收寄存器。
参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述射频模块内部包括有信息防碰撞系统和数据有效接收系统，所述数据有效接收子模块包括有载波检测子模块、地址匹配子模块和自动重发子模块。
所述射频模块选用900MHz频段进行通信，并将信息防碰撞技术与数据有效接收技术结合，实现自动检测载波并进行地址匹配，同时也利用自动重发进行纠错。
进一步作为优选的实施方式，所述定位装置包括有GPS模块和加速度传感器，所述GPS模块和加速度传感器均与中央处理器连接。
进一步作为优选的实施方式，所述加速度传感器采用具有卡尔曼动态滤波功能的MPU6050，可用于准确地获取人体加速度、加速度和角度数据，与GPS模块结合，利用加速度传感器测量到的X、Y、Z三轴的加速度和角度计算得到人的朝向以及行走步伐，根据公式计算移动的距离（距离=步长修正系数*步长*步数），并结合GPS模块的数据实现精确定位；其中GPS模块可采用UBLOX的NEO-7M模组，具有50个通道，追踪灵敏度达-161dBm，但通常情况下，GPS模块仅限于确定人体的起始位置，即工作人员进入矿洞的洞口位置，进入矿洞后相当于进入GPS盲区，此时利用加速度传感器可计算得到人的行走、抬头、转身等不同姿态，从而计算出人的相对移动，进而结合GPS模块测得的初始数据得到工作人员的精确位置；并能够通过在监测中心接收到的所有工作人员的数据，在检测中心得到矿洞中人员的整体分布图。
进一步作为优选的实施方式，所述气体传感器为瓦斯传感器。
本发明具体实施例中可采用MJC4/3.0L催化燃烧式甲烷传感器，所述甲烷传感器根据催化燃烧效应的原理工作，当遇到可燃气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压成正比例增加并通过调整放大器AD602使输出信号进行放大；所述可燃气体浓度超过预设值时,可通过安全帽上设置的报警器将会报警，提醒人员，并自动触发射频模块发送超限信号至中心节点。
参照图4书面本发明中瓦斯传感器的具体工作流程：由于MJC4/3.0L的输出电压太小,无法满足中央处理器的要求，故需要将MJC4/3.0L的输出信号通过调整放大器进行放大，再通过中央处理器完成对瓦斯检测浓度数据的处理任务，包括超限判断、数据发送等功能及上电复位、初始化CPU寄存器、配置A/D寄存器、初始化SPI、配置射频模块寄存器等操作。当瓦斯浓度超过预设值时，可通过安全帽上面的设置的警报器报警提醒人员，并自动触发射频模块发送瓦斯浓度超限信号。最后通过无线传感网络技术来实现信息传输，即通过其他移动节点（即其他安全帽本体上设置的射频模块）采取广播的形式将信息传输到距离最近的节点，该节点再通过多级定点传输将信息传输到中心节点，最后中心节点通过线缆将信息传输到监测中心。
参照图2和图3，进一步作为优选的实施方式，所述气体传感器的个数为2，分别设置于安全帽本体6的两侧，即位于安全帽本体左侧的气体传感器3和位于安全帽本体右侧的气体传感器5。
进一步作为优选的实施方式，所述矿灯包括有可拆卸式LED灯和可旋转式底座，矿灯的照明角度可利用可旋转式底座进行调整。
进一步作为优选的实施方式，所述供电模块包括有蓄电池、稳压子模块和充电电路。
其中蓄电池可采用锂电池、铅酸电池等，稳压子模块中包括有7805稳压电路和AMS1117稳压电路，充电电路采用USB口充电。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽，其特征在于：包括有安全帽本体，所述安全帽本体上设置有中央处理模块、射频模块、气体传感器和矿灯，所述中央处理模块包括有中央处理器、定位装置、调整放大器和供电模块，所述定位装置和射频模块均与中央处理器连接，所述气体传感器通过调整放大器与中央处理器连接，所述供电模块分别与中央处理器和矿灯连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽，其特征在于：所述射频模块用于与其他安全帽本体上设置的射频模块组成拓扑结构，进而将信息通过最近的其他安全帽本体上设置的射频模块发送至与监测中心连接的中心节点。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽，其特征在于：所述射频模块内部包括有状态寄存器、配置寄存器、发射地址寄存器、发射数据寄存器和数据接收寄存器。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽，其特征在于：所述射频模块内部包括有信息防碰撞系统和数据有效接收系统，所述数据有效接收子模块包括有载波检测子模块、地址匹配子模块和自动重发子模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽，其特征在于：所述定位装置包括有GPS模块和加速度传感器，所述GPS模块和加速度传感器均与中央处理器连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽，其特征在于：所述加速度传感器采用具有卡尔曼动态滤波功能的MPU6050。
7.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽，其特征在于：所述气体传感器为瓦斯传感器。
8.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽，其特征在于：所述气体传感器的个数为2，分别设置于安全帽本体的两侧。
9.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽，其特征在于：所述矿灯包括有可拆卸式LED灯和可旋转式底座。
10.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络技术的多功能安全帽，其特征在于：所述供电模块包括有蓄电池、稳压子模块和充电电路。
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