CN202843589U - 基于无线传感器网络的煤矿井下人员健康监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种以耳机(18)为终端的基于无线传感器网络的煤矿井下人员健康监测系统，所述耳机(18)中设置有：心率传感模块(1)，体温传感模块(2)，对讲装置模块(3)，LED报警模块(5)等，耳机(18)实时测量人员的心率和脉搏，通过无线传感器网络(29)反馈给监控中心(28)。如心率体温超出正常范围，耳机(18)会报警，无线传感器网络(29)进行人员定位，人员也可通过耳机与监控中心(28)对讲，搜救发生危险的人员，尤其是单独作业发生意外无法呼救的人员。所述无线传感器网络(29)中，耳机(18)为移动节点(18)，巷道(16)两边设有固定节点(17)，固定节点(17)可充当路由同时定位和测量风速、湿度、瓦斯等数值，对环境异常报警。固定节点(17)接到汇聚节点(19)，传送数据到监控中心(28)。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的煤矿井下人员健康监测系统，用于煤矿井下人员的体征监测和井下环境安全监测。
背景技术
我国煤矿生产主要是井工开采，井下人员流动性大，工作环境恶劣。将自组织、多跳路由、动态拓扑的无线传感器网络技术用于井下安全监控系统，日趋成为提升煤矿安全生产的重要课题。目前国内外已投入使用的井下安全监控无线传感器网络主要在以下几个方面：应急救灾通信、对人员和设备的位置监控、调度广播等，但是对于煤矿井下人员的健康监测则较少涉及。
煤矿工作的环境复杂多变，是一种重体力活，再经过路途的时间消耗，超时劳动、超负荷劳动已经危及到煤炭从业人员的身心健康，成为煤矿安全工作中的一大危害。高污染且缺氧的环境严重威胁着井下人员的生命安全与健康。煤矿井下环境的复杂性，以及给作业带来的负担和危害，使得生产率降低，或造成安全事故，使人员受伤，企业财产受损失。所以将无线传感器网络引入煤矿井下的健康监测具有很重要的现实意义。
目前，公知的煤矿井下健康监测方法是在现有定位监测系统的终端上加装体征传感器，这种方法只能单向收集体征信息，且并没有考虑影响外界环境对人员健康的影响。这种方法没有建立系统数据库，只能靠终端设备存储数据，仅在矿难发生后为生命探测提供依据，但并不关注人员在平时生产中的健康状况，缺乏科学性和人性化。本实用新型中的耳机较井下的手持终端设备更功能多元化，较加装传感器的安全头盔更轻巧便捷，提高了体征监测的灵敏度和实时精度。
实用新型内容
本实用新型是为了解决煤矿井下人员健康监测匮乏的技术问题，提出一种基于无线传感器网络的煤矿井下人员健康监测系统。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
1.一种基于无线传感器网络(29)的煤矿井下人员健康监测系统，包括：
能实时测量煤矿井下人员体征的耳机(18)，通过无线传感器网络(29)反馈人体体征数据及环境参数数据给地面监控中心(28)，监控中心(28)可对体征异常人员组织救援和对威胁人员健康的环境灾害进行防治；
所述耳机(18)中的设置有：
心率传感模块(1)，用于实时监测煤矿井下人员的心率；
体温传感模块(2)，用于测量人体耳道温度；
对讲装置模块(3)，用于接收广播信息与对讲；
防爆模块(4)，用于满足煤矿井下高温、高湿、高尘、高电磁干扰和爆炸性生产环境的防爆工作要求；
LED报警模块(5)，用于发出体征异常时的自动报警和环境异常时的主动求救信号；
微处理器模块A(6)，用于收集并存储传感模块测量的人体体征数据及处理异常数据引起的报警；
电源模块A(7)，用于耳机(18)内部各模块的供电；
无线射频模块A(8)，用于将微处理器模块A(6)获得的人体体征数据转换成能够射频发射的电信号，传送至无线传感器网络(29)中的固定节点(17)；
所述无线传感器网络(29)包括：
移动节点(18)，即下井人员携带的用于体征监测的耳机(18)；
固定节点(17)，分布于煤矿井下巷道(16)两侧，用于传递耳机采集的人体体征数据和收集环境参数数据并逐级传递到汇聚节点(19)；
汇聚节点(19)，用于收集固定节点传递的数据并上传至监控中心(28)；
其中所述固定节点(17)包括：
传感器模块(20)，用于收集煤矿井下的瓦斯含量、风速、温度、湿度；
微处理器模块B(21)，用于处理传感器模块(20)采集的环境参数数据和由无线射频模块B(23)接收的人体体征数据；
电源模块B(22)，用于固定节点(17)各模块的供电；
无线射频模块B(23)，用于接收移动节点(18)上传的人体体征数据，及发送微处理器处理过的人体体征数据和环境参数数据至汇聚节点(19)；
所述监控中心(28)包括：
人员体征数据库(24)，用于传输并存储煤矿井下人员的体征数据；
环境参数数据库(25)，用于传输并存储煤矿井下环境参数数据；
自动报警单元(26)，用于对人员或环境异常数据的报警；
对讲单元(27)，用于发布信息的广播和与特定人员进行的耳机对讲。
其中，所述人体体征数据包括：人员在煤矿井下的心率、体温，所述心率传感模块(1)包括心率传感器，所述体温传感模块(2)包括体温传感器，所述环境参数数据包括：煤矿井下的瓦斯含量、风速、温度、湿度，所述传感器模块(20)包括：瓦斯传感器、风速传感器、温度传感器、湿度传感器。
2.这个系统进一步包括了耳机(18)，其外观设计将耳挂式耳机和入耳式耳机的外形进行了结合，所述外形特征包括：
挂耳(9)，用于煤矿井下人员的可靠佩戴；
LED指示灯(10)，用于人体体征数据异常人员的自动报警信号和辅助对讲按钮(12)发出的主动求救信号；
麦克(11)，用于煤矿井下人员声音信号的接收；
对讲按钮(12)，用于控制耳机(18)在接收广播、发出求救信号和人员与监控中心对话之间三种状态的切换；
旋转电源开关(13)，用于耳机(18)工作状态与非工作状态的切换；
耳廓感应器(14)，用于一触式感应耳廓采样测量心率；
红外感应区(15)，用于扫描耳鼓膜发出的红外线以测量体温。
其中，耳机(18)测得的人体体征数据包括：人员在煤矿井下的心率、体温，所述心率传感模块(1)包括心率传感器，所述体温传感模块(2)包括体温传感器。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1.本实用新型提出一种以多功能耳机为终端设备，基于无线传感器网络的针对煤矿井下人员的健康监测系统，不仅对人员的体征数据进行采集处理，还对其工作环境的参数进行评估，从内因和外因两个方面关注矿井工作人员的健康，与以往单纯的体征监测系统相比，更加科学和人性化。
2.本实用新型中的耳机较井下的手持终端设备更轻巧便捷，且其功能突破了传统意义的耳机范畴。耳挂的方式保证了使用者佩戴的可靠性，减少了井下作业人员因大幅度动作造成监测仪脱落的可能性。入耳的方式可以使体征仪贴近耳廓及耳道，更精确采集体征数据信息；入耳式为耳朵提供了一个封闭的环境，降低外界噪音干扰及漏音，可使人员在嘈杂的环境下，用较低音量不受影响地接收广播与对讲信息，既保证了通信质量，又降低了供电损耗。
3.本实用新型中的耳机提高了体征监测的先进性和精度。心率传感模块为一触式实时读取心率，确保监测数据的准确性。体温传感通过扫描耳鼓膜发出的红外线感测人体所放射出的热辐射进而测得人的体温。防爆模块满足了煤矿井下高温、高湿、高尘、高电磁干扰和爆炸性生产环境的工作要求。耳机集成了各种传感器和无线通信模块，集成化可降低其技术成 本。
4.本实用新型中的健康监控系统可进行多样化交互式的管理模式。监控中心与耳机终端之间的通信方式为广播、组播、单播等多种方式，不但监控中心可对下井人员下达指令，人员也可通过对讲主动与监控中心取得联系，方便监控中心在收到数据异常报警信息时及时合理地组织人员救护。
5.本实用新型将无线传感器网络作为耳机的数据传输网络，其优势在于节点数量大，分布密度高，具有数据融合能力，网络自我修复能力强，节点本身具有一定计算和存储能力等，适合用于煤矿井下监测系统。耳机既是体征监测和对讲的终端，又作为无线传感器网络中的移动节点，可由固定节点的坐标进行定位。无线传感器网络采用分层次的网络结构，使用数据融合技术，让固定节点对移动节点数据进行聚合，固定节点之间再进行逐级聚合，最后由距离汇聚节点最近的固定节点转发给汇聚节点，这样就降低了多个移动节点同时发送数据时数据链路层的调度难度，避免频繁的数据冲突和碰撞和通信效率的降低。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本实用新型耳机的内部组成示意图；
图2是本实用新型耳机的外观构成示意图；
图3是本实用新型健康监测系统中煤矿井下无线传感器网络拓扑示意图；
图4是本实用新型健康监测系统中煤矿井下无线传感器网络固定节点组成示意图；
图5是本实用新型健康监测系统中煤矿井下无线传感器网络移动节点和固定节点交互方法流程图；
图6是本实用新型健康监测系统中监控中心组成示意图；
图7是本实用新型健康监测系统整体组成示意图。
附图标记说明：1-心率传感模块，2-体温传感模块，3-对讲装置模块，4-防爆模块，5-LED报警模块，6-微处理器模块A，7-电源模块A，8-无线射频模块A，9-挂耳，10-LED指示灯，11-麦克，12-对讲按钮，13-旋转电源开关，14-耳廓感应器，15-红外感应区，16-巷道，17-固定节点，18-移动节点(耳机)，19-汇聚节点，20-传感器模块，21-微处理器模块B，22-电源模块B，23-无线射频模块B，24-人员体征数据库，25-环境参数数据库，26-自动报警单元，27-对讲单元，28-监控中心，29-无线传感器网络。
具体实施方式
本实用新型的核心在于提出一种以多功能耳机为终端设备，基于无线传感器网络的针对煤矿井下人员的健康监测系统，不仅对人员的体征数据进行采集处理，还对其工作环境的参数进行评估。下面详细说明其各部分组成。
图1是本实用新型耳机的内部组成示意图。
如图1所示，耳机(18)中的设置有：
用于实时监测煤矿井下人员心率的心率传感模块(1)，
用于测量人体耳道温度的体温传感模块(2)，
用于接收广播信息与对讲的对讲装置模块(3)，
用于满足煤矿井下高温、高湿、高尘、高电磁干扰和爆炸性生产环境防爆工作要求的防爆模块(4)，
用于在体征异常时自动报警和环境异常时发出主动求救信号的LED报警模块(5)，
用于收集并存储体征数据及处理异常信息报警的微处理器模块A(6)，
用于耳机(18)内部各模块供电的电源模块A(7)，
还有无线射频模块A(8)，用于将微处理器模块A(6)获得的体征数据转换成能够射频发射的电信号发送。
图2是本实用新型耳机的外观构成示意图。
如图2所示，耳机(18)的外观设计结合了耳挂式耳机和入耳式耳机的外形优点，其外观特征包括：
用于煤矿井下人员可靠佩戴的挂耳(9)，
用于显示体征数据异常人员自动报警信号和辅助对讲按钮(12)发出主动求救信号的LED指示灯(10)，
用于接收煤矿井下人员声音信号的麦克(11)，
用于控制耳机(18)在接收广播、发出求救信号和人员与监控中心对话三种状态间切换的对讲按钮(12)，
用于耳机(18)工作与非工作状态切换的旋转电源开关(13)，
用于一触式感应耳廓采样测量心率的耳廓感应器(14)，用于扫描耳鼓膜红外线以测量体温的红外感应区(15)。
图3是本实用新型健康监测系统中煤矿井下无线传感器网络拓扑示意图。
如图3所示，煤矿井下无线传感器网络(29)包括：
移动节点(18)，即下井人员携带的用于体征监测的耳机(18)；
固定节点(17)，分布于煤矿井下巷道(16)两侧，用于传递耳机采集的体征数据和收集环境信息并逐级传递到汇聚节点(19)；
汇聚节点(19)，用于收集固定节点传递的数据并上传。
图4是本实用新型健康监测系统中煤矿井下无线传感器网络固定节点组成示意图。
如图4所示，固定节点(17)包括：
用于收集煤矿井下的瓦斯含量、风速、温度、湿度的传感器模块(20)，
用于处理传感器模块(20)采集的环境数据和由无线射频模块B(23)接收的体征数据的微处理器模块B(21)，
用于固定节点(17)各模块的供电的电源模块B(22)，
以及无线射频模块B(23)，用于接收移动节点(18)上传的体征数据，及发送微处理器处理过的体征和环境数据至汇聚节点(19)。
图5是本实用新型健康监测系统中煤矿井下无线传感器网络移动节点和固定节点交互方法流程图。
结合图5可知，耳机(18)作为移动节点(18)，将收集到的体征数据传送给固定节点(17)，固定节点(17)对移动节点(18)数据进行聚合，同时其传感器模块(20)测量巷道(16)内的环境参数数据，固定节点(17)之间再进行逐级聚合后发送到汇聚节点(19)。
图6是本实用新型健康监测系统中监控中心组成示意图。
如图6所示，监控中心(28)包括：
人员体征数据库(24)，用于传输并存储煤矿井下人员的体征数据；
环境参数数据库(25)，用于传输并存储煤矿井下环境参数数据；自动报警单元(26)，用于对人员或环境异常数据的报警；
对讲单元(27)，用于发布信息的广播和与特定人员进行的耳机对讲。
图7是本实用新型健康监测系统整体组成示意图。结合图7可整体说明，本实施例是一种基于无线传感器网络(29)的煤矿井下人员健康监测系统，其中，能实时测量煤矿井下人员体征的耳机(18)作为无线传感器网络(29)的移动节点，通过其无线射频模块(8)传送人体体征数据给固定在巷道(16)两旁的固定节点(17)，固定节点(17)同时收集环境参数数据，一起反馈至汇聚节点(19)直至地面监控中心(28)，监控中心(28)可对体征异常人员组织救援和对威胁人员健康的环境灾害进行防治。
本实施例中，耳机(18)的心率传感模块(1)通过耳廓感应器(14)实时监测人的心率。传感器读取心率后最终将传送数据录入人员体征数据库(24)。体温传感模块(2)通过红外感应区(15)来感测人体所放射出的热辐射进而测得人的体温，也将最终传送至人员体征数据库(24)。对讲装置模块(3)由对讲按钮(12)控制。平时保持对讲按钮(12)的松弛状态，可接收监控中心(28)下达的指令按规定作业；当人员受到监控中心(28)询问需要对讲时，长按对讲按钮(12)说话，声音通过麦克(11)传送；短按对讲按钮(12)两次可与LED指示灯(10)相配合进行紧急情况的求救。LED报警模块(5)连接LED指示灯(10)，LED指示灯(10)有如下状态：平时佩戴耳机为熄灭状态，说明人员体征处于正常范围；当测得体征数据超出正常范围，LED指示灯(10)闪烁黄光并向监控中心(28)的自动报警单元(26)发送信号，监控中心(28)通过对讲单元(27)询问人员是否感觉不适；当井下作业中遇到突发事故或人员感到身体不适但耳机(18)未报警时，按压对讲按钮(12)两次将LED指示灯(10)转换到红色发出求救信号，方便监控中心(28)及其附近工作人员识别及救援。耳机(18)的电源模块(7)对其内部各模块进行供电，由旋转电源开关(13)控制。人员通过挂耳(9)进行佩戴。无线射频模块A(8)可与固定节点(17)的无线射频模块B(23)进行通信。
本实施例中，当人员体征数据库(24)或环境参数数据库(25)的数据超出正常范围时，监控中心(28)的自动报警单元(26)会发出提示信号，要求固定节点(17)对此移动节点进行RSSI定位，与此同时LED指示灯(10)闪烁，方便监控中心(28)及目标附近工作人员识别及救援。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于无线传感器网络(29)的煤矿井下人员健康监测系统，其特征在于，包括：
能实时测量煤矿井下人员体征的耳机(18)，通过无线传感器网络(29)反馈人体体征数据及环境参数数据给地面监控中心(28)，监控中心(28)可对体征异常人员组织救援和对威胁人员健康的环境灾害进行防治；
所述耳机(18)中的设置有：
心率传感模块(1)，用于实时监测煤矿井下人员的心率；
体温传感模块(2)，用于测量人体耳道温度；
对讲装置模块(3)，用于接收广播信息与对讲；
防爆模块(4)，用于满足煤矿井下高温、高湿、高尘、高电磁干扰和爆炸性生产环境的防爆工作要求；
LED报警模块(5)，用于发出体征异常时的自动报警和环境异常时的主动求救信号；
微处理器模块A(6)，用于收集并存储传感模块测量的人体体征数据及处理异常数据引起的报警；
电源模块A(7)，用于耳机(18)内部各模块的供电；
无线射频模块A(8)，用于将微处理器模块A(6)获得的人体体征数据转换成能够射频发射的电信号，传送至无线传感器网络(29)中的固定节点(17)；
所述无线传感器网络(29)包括：
移动节点(18)，即下井人员携带的用于体征监测的耳机(18)；
固定节点(17)，分布于煤矿井下巷道(16)两侧，用于传递耳机采集的人体体征数据和收集环境参数数据并逐级传递到汇聚节点(19)；
汇聚节点(19)，用于收集固定节点传递的数据并上传至监控中心(28)；
其中所述固定节点(17)包括：
传感器模块(20)，用于收集煤矿井下的瓦斯含量、风速、温度、湿度；
微处理器模块B(21)，用于处理传感器模块(20)采集的环境参数数据和由无线射频模块B(23)接收的人体体征数据；
电源模块B(22)，用于固定节点(17)各模块的供电；
无线射频模块B(23)，用于接收移动节点(18)上传的人体体征数据，及发送微处理器处理过的人体体征数据和环境参数数据至汇聚节点(19)；
所述监控中心(28)包括：
人员体征数据库(24)，用于传输并存储煤矿井下人员的体征数据；
环境参数数据库(25)，用于传输并存储煤矿井下环境参数数据；
自动报警单元(26)，用于对人员或环境异常数据的报警；
对讲单元(27)，用于发布信息的广播和与特定人员进行的耳机对讲。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络(29)的煤矿井下人员健康监测系统，其特征在于，所述人体体征数据包括：人员在煤矿井下的心率、体温，所述心率传感模块(1)包括心率传感器，所述体温传感模块(2)包括体温传感器，所述环境参数数据包括：煤矿井下的瓦斯含量、风速、温度、湿度，所述传感器模块(20)包括：瓦斯传感器、风速传感器、温度传感器、湿度传感器。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络(29)的煤矿井下人员健康监测系统，其特征在于，所述耳机(18)，其外观设计将耳挂式耳机和入耳式耳机的外形进行了结合，所述外形特征包括：
挂耳(9)，用于煤矿井下人员的可靠佩戴；
LED指示灯(10)，用于人体体征数据异常人员的自动报警信号和辅助对讲按钮(12)发出的主动求救信号；
麦克(11)，用于煤矿井下人员声音信号的接收；
对讲按钮(12)，用于控制耳机(18)在接收广播、发出求救信号和人员与监控中心对话之间三种状态的切换；
旋转电源开关(13)，用于耳机(18)工作状态与非工作状态的切换；
耳廓感应器(14)，用于一触式感应耳廓采样测量心率；
红外感应区(15)，用于扫描耳鼓膜发出的红外线以测量体温。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络(29)的煤矿井下人员健康监测系统，其特征在于，所述耳机(18)中测得的人体体征数据包括：人员在煤矿井下的心率、体温，所述心率传感模块(1)包括心率传感器，所述体温传感模块(2)包括体温传感器。
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