CN203808869U - 智能井下矿工定位及信息采集系统 - Google Patents

Abstract

一种智能井下矿工定位及信息采集系统，属于井下安全电子系统领域。本实用新型的目的是提供一种具有及时告警和正确引导的基于ZigBee技术的智能井下矿工定位及信息采集系统。本实用新型在矿井帽上安装有专用探照灯、低功率的OLED显示屏、一键求助按钮、电池盒、、ZigBee通信天线、控制电路；电路部分分为：置于矿工帽上的ZigBee盲节点和置于矿井壁上的ZigBee路由节点。本实用新型通过ZigBee网络通信和定位技术，使得矿井下环境和矿工位置得到有效监控，并在发生紧急事故时，提高处置的速度和效率，减少损失。

Description

智能井下矿工定位及信息采集系统

技术领域

本实用新型属于井下安全电子系统领域。

背景技术

矿井事故的频繁发生暴露出目前矿井监测系统的弊端：有线通信方式灵活性差，布线不便，成本高，覆盖性不足，信息不完全，且不能及时提供井下环境信息与工作人员的位置信息等，一旦事故发生，很难展开救援。传统 ZigBee 定位系统往往仅采用电池进行供电，电池的使用寿命一般为三个月左右，当通信定位的节点数量庞大时，维护费用会十分巨大。同时传统的矿井定位系统没有紧急情况告警功能，只能采集矿工位置信息，不能将矿工觉察到的危险紧急情况，及时反馈给矿上管理人员，造成事故发现和处理迟缓。再加上目前的定位系统都没有引导矿工求生的指示，在事故或紧急情况发生时，不能按照安全合理的路径求生，造成生命财产的损失。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种具有及时告警和正确引导的基于ZigBee技术的智能井下矿工定位及信息采集系统。

本实用新型在矿井帽前面的井下专用探照灯上面安装有低功率的OLED显示屏，在矿井帽右侧帽檐上安装有一键求助按钮，电池盒安装在矿工帽后侧，并且电池盒向上的矿工帽上安装有ZigBee通信天线，控制电路固定在矿工帽顶部；

 其电路部分分为：置于矿工帽上的ZigBee盲节点和置于矿井壁上的ZigBee路由节点；

ZigBee盲节点是由主控芯片和盲节点模块构成；ZigBee路由节点是由主控芯片和路由节点模块构成；ZigBee盲节点和ZigBee路由节点的主控芯片相同；

主控芯片：电容C1-C7为旁路电容，连接在主控芯片与地之间；电感L1和电容C8构成LC滤波电路；电容C9-C15、电感L2-L4和天线J1接到芯片的RF_P、RF_N，即25、26引脚；C17、C18、C19、C20为起振电容，与X1、X2共同构成晶振电路；电容C16连接在DCOUPL，即40引脚，提供1.8V的去耦电压；电阻R1为偏置电阻；

盲节点模块是由按键模块、OLED显示模块和电源模块构成：

按键模块：3和S1构成的按键检测电路，左端连接主控芯片的P0_0引脚，右端接地；

OLED显示模块：显示屏的7引脚接地，6引脚接3.3V电源，5、4、3、2引脚分别与主控芯片的6、5、38、37引脚相连；

路由节点模块是由信息采集模块、箭头指示模块、报警模块和电源模块构成：

信息采集模块：U3为MQ-4瓦斯浓度传感器，U4为MQ-7一氧化碳浓度传感器；U5为AD转换器，U3的2引脚接U5的2引脚，U4的2引脚接U5的1引脚， U5的9、10引脚接到主控芯片的P1_4和P1_3引脚；U1为空气压力传感器，2、3引脚分别接主控芯片的P1_0、P1_1引脚；U2为温湿度传感器， 2引脚接主控芯片的P2_2引脚；

箭头指示模块：由箭头指示灯D1、电阻R2和三极管Q2组成，电阻端接主控芯片的P2_1引脚；

报警模块：由声光报警器LS1、电阻R1和三极管Q1组成，电阻端接主控芯片的P2_0引脚。

本实用新型通过ZigBee网络通信和定位技术，使得矿井下环境和矿工位置得到有效监控，并在发生紧急事故时，提高处置的速度和效率，减少损失。通过ZigBee路由节点网络，实时采集环境信息，监控并告警超出阈值环境数据。路由节点集成市电和电池供电两种方式，有效降低维护费用。在发生矿难时，路由节点可以指示矿工选择合理的逃生方向和路径。集成在矿工安全帽上的ZigBee盲节点可以实时定位，使矿上管理人员掌握所有矿工的位置信息。当矿工发现矿下有危险紧急情况时，可以通过盲节点上的紧急求助按键，报告危险紧急情况。

附图说明

图1是本实用新型矿帽结构示意图；

图2是本实用新型的系统整体框图。Terminal是盲节点,即集成在矿工安全帽上的ZigBee终端。Router是路由节点,即安装在巷道壁上的ZigBee路由。Coordinator 是协调器，即负责管理ZigBee网络和与上位机通信的ZigBee根节点。Computer是用于系统管理的上位机；

图3是ZigBee盲节点的功能框图；3-1是OLED显示屏，3-2是求助功能按键，3-3是ZigBee盲节点微控制器，3-4是电池供电回路，3-5是与本节点通信的ZigBee路由节点微控制器；

图4是ZigBee路由节点的功能框图。4-1是报警电路，包含报警警铃和箭头指示灯。4-2是瓦斯浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、空气压力传感器和温湿度传感器。4-3是结合电池与市电的电源管理模块。4-4是ZigBee路由节点微控制器；

图5是ZigBee微控制器芯片（主控芯片）CC2530的电路原理图；

图6是ZigBee盲节点的外围电路原理图；

图7是ZigBee路由节点的外围电路原理图。

具体实施方式

本实用新型在矿井帽前面的井下专用探照灯6上面安装有低功率的OLED显示屏5，在矿井帽右侧帽檐上安装有一键求助按钮1，电池盒2安装在矿工帽后侧，并且电池盒2向上的矿工帽上安装有ZigBee通信天线3，控制电路4固定在矿工帽顶部；

 其电路部分分为：置于矿工帽上的ZigBee盲节点和置于矿井壁上的ZigBee路由节点；

ZigBee盲节点是由主控芯片和盲节点模块构成；ZigBee路由节点是由主控芯片和路由节点模块构成；ZigBee盲节点和ZigBee路由节点的主控芯片相同；

主控芯片：电容C1-C7为旁路电容，连接在主控芯片与地之间；电感L1和电容C8构成LC滤波电路；电容C9-C15、电感L2-L4和天线J1接到芯片的RF_P、RF_N，即25、26引脚；C17、C18、C19、C20为起振电容，与X1、X2共同构成晶振电路；电容C16连接在DCOUPL，即40引脚，提供1.8V的去耦电压；电阻R1为偏置电阻；

盲节点模块是由按键模块、OLED显示模块和电源模块构成：

按键模块：3和S1构成的按键检测电路，左端连接主控芯片的P0_0引脚，右端接地；

OLED显示模块：显示屏的7引脚接地，6引脚接3.3V电源，5、4、3、2引脚分别与主控芯片的6、5、38、37引脚相连；

路由节点模块是由信息采集模块、箭头指示模块、报警模块和电源模块构成：

信息采集模块：U3为MQ-4瓦斯浓度传感器，U4为MQ-7一氧化碳浓度传感器；U5为AD转换器，U3的2引脚接U5的2引脚，U4的2引脚接U5的1引脚， U5的9、10引脚接到主控芯片的P1_4和P1_3引脚；U1为空气压力传感器，2、3引脚分别接主控芯片的P1_0、P1_1引脚；U2为温湿度传感器， 2引脚接主控芯片的P2_2引脚；

箭头指示模块：由箭头指示灯D1、电阻R2和三极管Q2组成，电阻端接主控芯片的P2_1引脚；

报警模块：由声光报警器LS1、电阻R1和三极管Q1组成，电阻端接主控芯片的P2_0引脚。

ZigBee盲节点集成在矿工的安全帽中，连接好ZigBee网络时，会不断发出定位请求，盲节点附近的ZigBee路由节点接收到定位请求时，回发反应盲节点和其相对位置信息的位置数据包，通过不同路由节点返回的数据计算出自身的位置，并实时地将所确定的位置信息发送给上位机。

环境信息通过ZigBee路由节点上安装的瓦斯浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、空气压力传感器和温湿度传感器获取，并经由安装在巷道壁上的ZigBee路由节点中继，传送到ZigBee协调器中，再由协调器上传到上位机管理系统，实时监控并显示。当某一环境数据超出管理人员事先设定的预警阈值时，监控软件会发出警报，警示管理人员及时确认预警信息，消除安全隐患。

当发生紧急情况的时候，矿工按下一键求助按钮，路由节点启动报警模式，并将求助信号发送到上位机等待工作人员处理。而且塌方事故时，路由节点会发生中断的情况，这样矿上管理人员便可以从中断的节点位置，判断出发生事故的大致位置，方便后续救援工作的展开。

以下结合附图对本实用新型做进一步详细的描述：

图5是主控芯片最小系统。电容C1-C7为旁路电容，连接在主控芯片与地之间，起到滤波作用，使芯片的电源电压稳定。电感L1和电容C8构成LC滤波电路，起到稳定5V电源作用。电容C9-C15、电感L2-L4和天线J1接到芯片的RF_P、RF_N，即25、26引脚，为信号发射天线的接口电路。C17、C18、C19、C20为起振电容，与X1、X2共同构成晶振电路。电容C16连接在DCOUPL,即40引脚，提供1.8V的去耦电压,此电压不为外电路所使用。电阻R1为偏置电阻，用于产生偏置电压。

图6是盲节点外围电路图，与图5一起构成盲节点矿工终端。第一部分是由R3和S1构成的按键检测电路。按键左端连接主控芯片的P0_0引脚，右端接地，R3为上拉电阻，上接3.3V电源。第二部分是OLED显示模块。显示屏的7引脚接地，6引脚接3.3V电源，5、4、3、2引脚分别与主控芯片的6、5、38、37引脚相连，控制显示屏的输出。第三部分是电源模块，给整个盲节点矿工终端提供供3.3V电压。电池BT2是为系统供电电源，经过C1滤波之后，由U6，即REG1117-3.3V稳压芯片稳压，输出再经C2滤波后供外围电路使用。

图7是路由节点外围电路原理图，与图5一起构成路由节点。第一部分是信息采集模块。U3为MQ-4瓦斯浓度传感器，U4为MQ-7一氧化碳浓度传感器，都是1引脚接3.3V电源，3引脚接地，为传感器供电。U5为AD转换器PCF8591。U5的5、6、7、8、12、13引脚接地，14及16引脚接3.3V电源。U3的2引脚接AD转换模块U5的2引脚，U4的2引脚接AD转换模块U5的1引脚，AD转换模块U5的9、10引脚接到主控芯片的P1_4和P1_3引脚，通过IIC总线控制。U1为BMP085空气压力传感器，1引脚接3.3V电压，4引脚接地，2、3引脚分别接主控芯片的P1_0、P1_1引脚。U2为DHT11温湿度传感器，1引脚接3.3V电源，3引脚接地，2引脚接主控芯片的P2_2引脚。第二部分是箭头指示电路。由箭头指示灯D1、电阻R2和三极管Q2组成。箭头指示灯端接3.3V电压，三极管端接地，电阻端接主控芯片的P2_1引脚。第三部分是报警模块，由声光报警器LS1、电阻R1和三极管Q1组成。报警器端接3.3V电压，三极管端接地，电阻端接主控芯片的P2_0引脚。第四部分是电源模块，采用电网供电与电池供电相结合的方式。电池BT1和二极管D2构成电池供电回路，变压器T1、二极管D3、电容C5、电容C6和二极管D4构成市电供电回路。之后再由3.3V稳压芯片U7稳压输出3.3V电源。市电中断时，自动切换到电池供电。

环境信息通过ZigBee路由节点上安装的瓦斯浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、空气压力传感器和温湿度传感器获取，并经由安装在巷道壁上的ZigBee路由节点中继，传送到ZigBee协调器中，再由协调器上传到上位机管理系统，实时监控并显示。当某一环境数据超出管理人员事先设定的预警阈值时，监控软件会发出警报，警示管理人员及时确认预警信息，消除安全隐患。

路由节点供电集成市电和电池供电。正常情况下，市电经由变压器变换成9V交流电，通过半波整流滤波电路获得较为稳定的直流电压，之后输入到稳压芯片中，获得稳定的3.3V直流电源。电池采用市面上常见的7.2V电池，其和整流滤波之后的直流电压需要通过电源选择电路，即二极管防反向结构选择供电电源。当市电断路时，会自动切换到电池供电，这样大大减少了电池的消耗，降低了维护成本。

当发生矿难的时候，矿上管理人员可以通过ZigBee网络设置路由节点的箭头指示灯，从而引导矿工从安全的路径逃生。而且塌方事故时，路由节点会发生中断的情况，这样矿上管理人员便可以从中断的节点位置，判断出发生事故的大致位置，方便后续救援工作的展开。

集成在矿工安全帽上的ZigBee盲节点可以实时发送定位请求信号到其周围的ZigBee路由节点，并根据路由节点的返回数据，计算出其所处的位置。载经由其他路由节点和协调器上传到上位机显示出来。当发生矿难时，ZigBee盲节点信号消失的节点基本可以认定为此处塌方，屏蔽了信号。这时，可以通过最后一刻的矿工位置展开搜救工作，极大提高了搜救的针对性和效率。

在一些特殊情况下，矿工在井下工作的过程中可能会发现如垮塌，渗水，人员受伤等紧急情况，此时可以通过其安全帽上的紧急求助按钮，通知矿上的管理人员及时处理，避免因行动迟缓而造成的不必要损失。

Claims (1)

1.一种智能井下矿工定位及信息采集系统，其特征在于：在矿井帽前面的井下专用探照灯（6）上面安装有低功率的OLED显示屏（5），在矿井帽右侧帽檐上安装有一键求助按钮（1），电池盒（2）安装在矿工帽后侧，并且电池盒（2）向上的矿工帽上安装有ZigBee通信天线（3），控制电路（4）固定在矿工帽顶部；

 其电路部分分为：置于矿工帽上的ZigBee盲节点和置于矿井壁上的ZigBee路由节点；

ZigBee盲节点是由主控芯片和盲节点模块构成；ZigBee路由节点是由主控芯片和路由节点模块构成；ZigBee盲节点和ZigBee路由节点的主控芯片相同；

主控芯片：电容C1-C7为旁路电容，连接在主控芯片与地之间；电感L1和电容C8构成LC滤波电路；电容C9-C15、电感L2-L4和天线J1接到芯片的RF_P、RF_N，即25、26引脚；C17、C18、C19、C20为起振电容，与X1、X2共同构成晶振电路；电容C16连接在DCOUPL，即40引脚，提供1.8V的去耦电压；电阻R1为偏置电阻；

盲节点模块是由按键模块、OLED显示模块和电源模块构成：

按键模块：3和S1构成的按键检测电路，左端连接主控芯片的P0_0引脚，右端接地；

OLED显示模块：显示屏的7引脚接地，6引脚接3.3V电源，5、4、3、2引脚分别与主控芯片的6、5、38、37引脚相连；

路由节点模块是由信息采集模块、箭头指示模块、报警模块和电源模块构成：

信息采集模块：U3为MQ-4瓦斯浓度传感器，U4为MQ-7一氧化碳浓度传感器；U5为AD转换器，U3的2引脚接U5的2引脚，U4的2引脚接U5的1引脚， U5的9、10引脚接到主控芯片的P1_4和P1_3引脚；U1为空气压力传感器，2、3引脚分别接主控芯片的P1_0、P1_1引脚；U2为温湿度传感器， 2引脚接主控芯片的P2_2引脚；

箭头指示模块：由箭头指示灯D1、电阻R2和三极管Q2组成，电阻端接主控芯片的P2_1引脚；

报警模块：由声光报警器LS1、电阻R1和三极管Q1组成，电阻端接主控芯片的P2_0引脚。