CN219661685U - 一种基于LoRa的矿工体征状态远程监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于LoRa的矿工体征状态远程监测系统，包括有矿工可穿戴装备、LoRa智能网关、煤矿井下工业环网和地面服务器；本实用新型能够有效采集井下工作人员的体温，心率，血氧以及运动状态的体征参数，为全面评估其身体状态提供有效数据支撑；本实用新型中的可穿戴装备配合LoRa智能网关采用LoRa无线通讯方式进行数据传输，具有较低的丢包率和时延；结合实际的监测需要，合理设置人员可穿戴装备采集生命体征状态数据的间隔策略，能够有效降低平均功耗，提高电池的使用时长；综上所述，本实用新型能够较好的实现井下人员生命体征状态参数监测，对于及时发现和救援异常体征人员，对保障井下人员生命和煤矿安全生产发挥重要作用。
Description
技术领域
本实用新型涉及煤矿井下工作人员生命体征监测技术领域，尤其涉及一种基于LoRa的矿工体征状态远程监测系统。
背景技术
随着中国煤矿开采向深部延伸，井下地质条件更加复杂和恶劣，对煤矿安全开采带来巨大的挑战。在恶劣的井下环境中，矿工面临高强度工作和心理压力，一旦身体出现不适和异常情况，往往难以及时发现并开展救援，可能进一步造成更严重的人身伤害，甚至会影响正常的煤矿安全生产。因此，研究矿工生命体征状态监测对于及时发现和救援异常体征矿工，对保障矿工生命和煤矿安全生产具有重要意义。
目前矿工生命体征监测系统存在的主要问题有：(1)监测的体征参数种类少。现有一些技术主要监测井下工作人员的体温，心率和姿态信息，信息种类较少，无法更全面有效的反映人员真实的身体情况；
(2)系统监测维护工作量大，扩展性和灵活性差等问题。现有的技术主要采用有线通信或者短距离无线通信的方式传输监测到的体征状态数据，功耗也较高，导致在煤矿井下需布置较多网关节点，使整体维护工作量大，成本高，扩展性和灵活性差。
实用新型内容
本实用新型目的就是为了弥补已有技术监测的体征参数种类少，数据传输距离短且功耗高，系统监测维护工作量大，扩展性和灵活性差的缺陷，提供一种基于LoRa的矿工体征状态远程监测系统，本实用新型基于多种生命体征监测传感器，LoRa无线通信和低功耗嵌入式系统，设计了一种低功耗矿工生命体征状态监测系统，能够弥补现有矿工生命体征监测系统的不足，灵活实现矿工生命体征状态数据的采集，同时，在实现正常矿工生命体征状态监测的情况下尽可能降低系统功耗，将采集的数据实时上传至地面服务端，为进一步分析矿工状态提供重要的数据支持。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种基于LoRa的矿工体征状态远程监测系统，包括有矿工可穿戴装备、LoRa智能网关、煤矿井下工业环网和地面服务器；
所述矿工可穿戴装备采集矿工生命体征状态数据，通过LoRa无线通信方式与LoRa智能网关进行数据交互；
所述LoRa智能网关将接收到的矿工生命体征状态数据汇入所述的煤矿井下工业环网；
所述的地面服务器与煤矿井下工业环网连接，煤矿井下工业环网将获取到的矿工生命体征状态数据上传至地面服务器；
地面服务器接收并存储获取到的矿工生命体征状态数据；
所述的矿工可穿戴装备包括有单片机模块一以及分别与单片机模块一连接的体征传感器模块、电源管理模块和LoRa无线通信模块一，所述的体征传感器模块包括有温度传感器、心率血氧传感器和加速度传感器，分别采集矿工的体温、心率、血氧和身体运动姿态数据。
所述的单片机模块一包括有单片机一以及分别与单片机一连接的按键模块一、电量检测模块、串口通信模块一和液晶显示模块一，所述的单片机一为超低功耗单片机HC32L136K8TA。
所述的温度传感器采用LMT70温度传感器；所述的心率血氧传感器采用MAX30102传感器；所述的加速度传感器采用MPU6050加速度传感器。
所述的LoRa智能网关包括有单片机模块二以及分别与单片机模块二连接的电源模块和通信模块，所述的单片机模块二包括有单片机二以及分别与单片机二连接的按键模块二、液晶显示模块二、存储模块和声光报警模块；所述的通信模块包括有串口通信模块二、RS485通信模块、WiFi通信模块、CAN通信模块、以太网通信模块和LoRa无线通信模块二，LoRa无线通信模块二与LoRa无线通信模块一无线通讯连接。
所述的单片机二采用HC32F460PETB单片机芯片；所述的RS485通信模块采用隔离485总线芯片ISO3082；所述的CAN通信模块采用隔离CAN总线IS1050；所述的以太网通信模块采用W5500以太网芯片；所述的WiFi通信模块采用RTL8188ETV模块。
本实用新型的优点是：(1)本实用新型能够有效采集井下工作人员的体温，心率，血氧以及运动状态的体征参数，为全面评估其身体状态提供有效数据支撑；
(2)本实用新型中的可穿戴装备配合LoRa智能网关采用LoRa无线通讯方式进行数据传输，具有较低的丢包率和时延；结合实际的监测需要，合理设置人员可穿戴装备采集生命体征状态数据的间隔策略，能够有效降低平均功耗，提高电池的使用时长；
综上所述，本实用新型能够较好的实现井下人员生命体征状态参数监测，对于及时发现和救援异常体征人员，对保障井下人员生命和煤矿安全生产发挥重要作用。
附图说明
图1为本实用新型系统整体框架结构示意图；
图2为矿工生命体征状态监测模块结构图；
图3为基于HC32L136K8TA的单片机最小系统电路原理图；
图4为按键模块电路原理图；
图5为串口通信模块电路原理图；
图6为液晶显示模块电路原理图；
图7为电量检测模块电路原理图；
图8为电源管理模块结构框图；
图9为基于MOS的电源开关电路；
图10为基于LLCC68芯片的LoRa无线通信模块电路图；
图11为LoRa智能网关硬件结构框图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于LoRa的矿工体征状态远程监测系统，包括有矿工可穿戴装备1、LoRa智能网关2、煤矿井下工业环网3和地面服务器4；
所述矿工可穿戴装备1能够采集矿工生命体征状态数据，通过LoRa无线通信方式与LoRa智能网关2进行数据交互；
为适应不同煤矿井下的网络结构，本实用新型采用LoRa智能网关2支持多种通信方式接入煤矿井下工业环网3，所述LoRa智能网关2将接收到的矿工生命体征状态数据汇入所述的煤矿井下工业环网3；
所述的地面服务器4与煤矿井下工业环网3连接，煤矿井下工业环网3将获取到的矿工生命体征状态数据上传至地面服务器4；
地面服务器4接收并存储获取到的矿工生命体征状态数据；还包括有备用服务器，以及上位机，地面服务器4将接收的数据发送给上位机。
为了便于更好的监测矿工的生命体征状态，采用矿工可穿戴装备采集矿工生命体征状态数据，矿工可穿戴装备体积小，功耗低，且可监测的体征状态种类多。如图2所示，所述的矿工可穿戴装备1包括有单片机模块一11以及分别与单片机模块一11连接的体征传感器模块12、电源管理模块13和LoRa无线通信模块一14，所述的体征传感器模块12包括有温度传感器121、心率血氧传感器122和加速度传感器123，分别采集矿工的体温、心率、血氧和身体运动姿态数据。所述的单片机模块一11包括有单片机一111以及分别与单片机一111连接的按键模块一112、电量检测模块113、串口通信模块一114和液晶显示模块一115。
矿工可穿戴装备的载体是旷工的衣服，在矿工衣服的不同位置均安装有体征传感器模块12，如手腕，脚腕，胸口，背部等，LoRa智能网关2可以放置在矿工必带的设备矿灯中。
单片机一111采用国产超低功耗单片机HC32L136K8TA，该芯片是ARM Cortex-M0+32位CPU平台，最高主频为48MHz,该系列单片机具有灵活的功耗管理系统和超低功耗性能。该芯片在深度休眠模式+所有时钟关闭下，功耗可达最低，为0.5微安；深度休眠模式+RTC工作模式下，功耗可达0.9微安；低速工作模式下，功耗可达7微安；正常工作模式下，功耗为130微安。除了上述优秀的低功耗性能外，该芯片还有丰富的外设，例如：64KB Flash存储器，多个16位定时器，2路UART通信接口，2路LPUART低功耗接口，硬件RTC，12位ADC等。因此，该芯片能够满足本实用新型系统的设计需求。基于HC32L136K8TA的单片机最小系统电路原理图如图3所示。
所述的按键模块一112用于手动设置系统功能，串口通信模块一114用于系统调试过程中输出调试信息，液晶显示模块一115可用于显示检测到的体征状态数据，便于矿工自行查看。这三个模块的电路原理图如图4、5、6所示。电量检测模块113用于检测电池电量，当监测到电量过低时，将会发送低电量信息给服务端，同时也会点亮本地LED提示低电量，电量检测模块113的电路原理图如图7所示。本实用新型采用的电量检测芯片为CW2015，该芯片是一款尺寸小且无需检流电阻的锂电池电量计量芯片。该芯片能够持续监测电池在充电或者放电状态下的电压，可准确计算电池剩余电量，其还具有优秀的低功耗性能，静态功耗仅为0.5微安，工作功耗为15微安。
为了能够更准确的判断矿工的生命体征状态，采用高性能的温度传感器121、心率血氧传感器122以及加速度传感器123来分别采集矿工的体温，心率，血氧和身体运动姿态数据。针对体温检测，采用LMT70模拟温度传感器，LMT70是一款带有输出使能引脚的超小型，高精度，低功耗互补金属氧化物半导体模拟温度传感器，它几乎适用于所有高精度，低功耗的经济高效型温度感测应用。LMT70的温度测量范围是-55到150摄氏度，其功耗为9.2微安(典型值)。针对心率和血氧测量，采用MAX30102传感器，这是一款可用于健身和卫生保健领域的高灵敏度脉搏血氧仪和心率生物传感器，该传感器的测量原理是将红光或红外光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号，再经过AD转换成数字信号。针对矿工运动姿态的检测，采用MPU6050加速度传感器，该传感器具有三轴加速度计，能够通过采集三轴方向上的加速度来综合判别人体姿态。基于上述传感器数据，可综合判别矿工的生命体征状态。
所述的电源管理模块13由3.7V磷酸铁锂电池供电，考虑到硬件体积不宜过大，因此，电池充电采用系统外单独充电的方式。为实现矿工可穿戴装备正常功能下，整机具有低功耗性能。将输入电源分三部分，第一部分是输入3.7V电压通过第一个SGM2040-3.3V降压芯片直接为单片机最小系统供电，该电源芯片是一款超低静态功耗的线性LDO芯片，其静态功耗仅约为1微安，输出负载电流最大250毫安。第二部分是将第二个SGM2040-3.3V降压芯片的输出由MOS开关电路一控制，实现对无线通信模块，串口通信模块一114以及液晶显示模块一115的供电可控，进而降低电流消耗。第三部分是将第三个SGM2040-3.3V降压芯片的输出由MOS开关电路二控制，实现对三个传感器的供电可控。电源管理模块的结构框图如图8所示，MOS开关电路的原理如图9所示。
所述的LoRa无线通信模块一14采用Semtech公司开发的新一代高性能，低成本，更稳定的LoRa通信芯片LLCC68。该芯片可同时支持LoRa模式和FSK模式，且它的FSK模式相比传统的无线产品，具有更高的灵敏度。该芯片的LoRa模式相比FSK模式，具有更长的通信距离(点对点通信距离可达2.8km(与环境和测试条件有关))，更强的抗干扰能力，更大的网络容量，以及更低的功耗(LLCC68芯片的休眠电流低于1微安，信号接收电流约5mA,信号发射电流约为120mA)。该芯片与单片机一之间采用半双工SPI通信接口，通信接口的电路原理图如图10所示。
如图11所示，所述的LoRa智能网关2包括有单片机模块二21以及分别与单片机模块二21连接的电源模块22和通信模块23，所述的单片机模块二21包括有单片机二211以及分别与单片机二211连接的按键模块二212、液晶显示模块二213、存储模块214和声光报警模块215；所述的通信模块23包括有串口通信模块二231、RS485通信模块232、WiFi通信模块233、CAN通信模块234、以太网通信模块235和LoRa无线通信模块二236，LoRa无线通信模块二236与LoRa无线通信模块一14无线通讯连接。
所述的单片机二211采用HC32F460PETB单片机芯片；所述的RS485通信模块232采用隔离485总线芯片ISO3082；所述的CAN通信模块234采用隔离CAN总线IS1050；所述的以太网通信模块235采用W5500以太网芯片；所述的WiFi通信模块233采用RTL8188ETV模块。
本实用新型单片机二211采用华大半导体有限公司推出的通用类单片机HC32F460PETB,该芯片采用32位ARM Cortex-M4 CPU，芯片集成FPU、MPU，最高工作主频200MHz。该芯片具有丰富的外设，主要有：512KB Flash，83个GPIO口，3个I2C接口，4个USART接口，4个SPI接口，2个SDIO，1个支持200Mbps的QSPI，一个CAN通信接口，多功能定时器。除上述外设，该芯片还支持三种低功耗模式，停止模式，睡眠模式和掉电模式。所述的存储模块214采用W25Q16 Flash芯片，用于存储智能网关版本和配置信息等。所述的液晶显示模块二213、按键模块二212的设计与矿工可穿戴装备中的液晶显示模块一115、按键模块一112相同。声光报警模块215由LED和有源蜂鸣器设计构成，主要用于网关运行状态指示和故障信息报警。
通信模块23中，LoRa无线通信模块二236用于接收矿工可穿戴装备上报的矿工生命体征状态数据，串口通信模块二231用于系统调试过程中输出调试信息，这两种通信模块的硬件设计与矿工可穿戴装备中的设计相同，剩余四种通信方式均是为了适应不同煤矿井下工业环网，根据实际需要，选择接入环网的通信方式。
为提高无线网关中485总线通信和CAN总线通信的可靠性，本实用新型中采用隔离485总线芯片ISO3082和隔离CAN总线IS1050，这两款芯片均由德州仪器(TI)设计生产，具有非常优异的抗干扰性能。通信模块中的以太网通信，采用WIZnet设计的W5500以太网芯片，该芯片是集成了全硬件TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器，可实现10/100M自适应以太网通信，该芯片可通过SPI通信接口与单片机通信，实现8路独立Socket通信。WiFi通信，本实用新型中采用RTL8188ETV模块，该WiFi模块符合IEEE802.11N标准，并向下兼容IEEE802.11B/G标准，支持IEEE 802.11i安全协议，以及IEEE 802.11e标准服务质量，其具有较高的兼容性，并支持最新的64/128位WEP数据加密和WPA-PSK/WPA2-PSK，WPA/WPA2安全机制，其无线传输速率可高达150M。
本实用新型中采用24V隔爆兼本质安全性直流电源供电，为提高网关电源模块的可靠性，采用隔离电源设计，首先是采用20W输出功率的隔离电源HLK-20D2405将24V直流电源进行降压输出5V，再采用LM1117-3.3V线性LDO芯片实现5V转3.3V，通过电源模块降压输出的5V和3.3V电压为无线智能网关中各硬件模块供电。
Claims (3)
1.一种基于LoRa的矿工体征状态远程监测系统，其特征在于：包括有矿工可穿戴装备、LoRa智能网关、煤矿井下工业环网和地面服务器；
所述矿工可穿戴装备采集矿工生命体征状态数据，通过LoRa无线通信方式与LoRa智能网关进行数据交互；
所述LoRa智能网关将接收到的矿工生命体征状态数据汇入所述的煤矿井下工业环网；
所述的地面服务器与煤矿井下工业环网连接，煤矿井下工业环网将获取到的矿工生命体征状态数据上传至地面服务器；
地面服务器接收并存储获取到的矿工生命体征状态数据；
所述的矿工可穿戴装备包括有单片机模块一以及分别与单片机模块一连接的体征传感器模块、电源管理模块和LoRa无线通信模块一，所述的体征传感器模块包括有温度传感器、心率血氧传感器和加速度传感器，分别采集矿工的体温、心率、血氧和身体运动姿态数据；
所述的单片机模块一包括有单片机一以及分别与单片机一连接的按键模块一、电量检测模块、串口通信模块一和液晶显示模块一，所述的单片机一采用超低功耗单片机HC32L136K8TA；
所述的LoRa智能网关包括有单片机模块二以及分别与单片机模块二连接的电源模块和通信模块，所述的单片机模块二包括有单片机二以及分别与单片机二连接的按键模块二、液晶显示模块二、存储模块和声光报警模块；所述的通信模块包括有串口通信模块二、RS485通信模块、WiFi通信模块、CAN通信模块、以太网通信模块和LoRa无线通信模块二，LoRa无线通信模块二与LoRa无线通信模块一无线通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的矿工体征状态远程监测系统，其特征在于：所述的温度传感器采用LMT70温度传感器；所述的心率血氧传感器采用MAX30102传感器；所述的加速度传感器采用MPU6050加速度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的矿工体征状态远程监测系统，其特征在于：所述的单片机二采用HC32F460PETB单片机芯片；所述的RS485通信模块采用隔离485总线芯片ISO3082；所述的CAN通信模块采用隔离CAN总线IS1050；所述的以太网通信模块采用W5500以太网芯片；所述的 WiFi通信模块采用RTL8188ETV模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |