CN220124687U - 一种基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，包括分体结构的矿灯电池仓和安全帽，所述矿灯电池仓设置有用于供电的蓄电池、包括WiFi或4G/5G通讯模块的无线通讯模块、MCU处理器和矿灯；所述安全帽设置有脑电采集模块、运动监测模块；所述脑电采集模块的数据，运动监测模块采集的基于体征监测的矿井作业人员安全监测数据，通过有线下传到电池仓的MCU处理器；所述MCU处理器与无线通讯模块相连接；所述矿灯设置有电源连接插头，用于连接灯头；所述安全帽设置有插槽，用于连接灯头。所述基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，将蓄电池和无线通讯模块放置于腰部，能够有效减轻作业人员头部负端的重量，降低无线信号对脑部的影响，符合安标认证的要求，安全性高，结构简单，使用方便，具有更好的应用效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种矿井安全装置，尤其是涉及一种基于无线传输的体征监测矿井作业人员安全监测装置。
背景技术
目前的体征检测包含使用脑电检测作业人员清醒状态；通过运动模块检测作业人员行为状态，从而从多维度体征，判断作业人员的综合状态。
运动模块采用九轴传感器，可以从加速、陀螺、磁力三个角度分析作业人员活动状态；脑电智能终端通过脑电采集电极、脑电处理模块、供电锂电池、无线传输模块、天线等几部分组成，供电锂电池固定安装在终端顶部，无线传输模块安装在脑电处理模块的电路板上，天线安装在终端的最顶部，这样的架构一是增加智能终端(安全帽)的重量，所采用的锂电池普遍在50克以上，使用者会感觉不适，第二在头部使用无线模块，不满足安标认证的要求，需要将无线传输模块放到腰部。
实用新型内容
本实用新型提供了一种基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，解决了利用矿灯进行供电和信号传输的问题，其技术方案如下所述：
一种基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，包括分体结构的矿灯电池仓和安全帽，所述矿灯电池仓设置有用于供电的蓄电池、包括WiFi或4G/5G通讯模块的无线通讯模块、MCU处理器和矿灯；所述安全帽设置有脑电采集模块、运动监测模块；所述脑电采集模块的数据，运动监测模块采集的基于体征监测的矿井作业人员安全监测数据，通过有线下传到电池仓的MCU处理器；所述MCU处理器与无线通讯模块相连接；所述矿灯设置有电源连接插头，用于连接灯头；所述安全帽设置有插槽，用于连接灯头。
所述脑电电极安装在安全帽内侧的帽衬，经过电极线传输到脑电采集模块，脑电数据直接传输到电池仓的处理器MCU。
所述脑电电极提供脑电电极接口，接差分及参考电平三个电极，电极使用镀金。
所述运动监测模块，用于监测作业人员行为特点、头部姿态，从而判断作业人员的行为是否正常，所述运动监测模块采用MPU-9250九轴传感器。
所述矿灯还设置有蓄电池壳体，所述蓄电池和无线通讯模块都安装在蓄电池壳体上。所述蓄电池用于向无线通讯模块、MCU处理器、矿灯、以及脑电采集模块、运动监测模块供电。
所述MCU处理器采用微处理器HC32F005C6UA。
所述无线通讯模块采用WIFI模块E103-W10或者EC200移动4G通讯模块。
所述基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，将蓄电池和无线通讯模块放置于腰部，能够有效减轻安全帽的重量，降低无线信号对脑部的影响；根据安全帽的脑电模块和各种传感器，能够有效的探测作业人员的脑电情况和运动情况，以及对应发出报警信号，安全性高，结构简单，使用方便，具有更好的应用效果。
附图说明
图1是所述基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置的主视图和侧面结构示意图；
图2是所述基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置的电路原理示意图；
图3是所述脑电电极与脑电滤波电路连接的电路示意图；
图4是所述无线通讯模块的示意图；
图5是所述MCU处理器的示意图；
以下是各标号：1-MCU处理器；2-蓄电池壳体；3-蓄电池；4-无线通讯模块(WiFi或4G/5G)；5-天线；6-多芯煤安线缆；7-安全帽帽衬；8-灯头；9-脑电电极；10-脑电采集模块；11-运动监测模块；12-螺钉；13-上盖部件；14-下盖部件。
具体实施方式
如图1所示，所述基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，包括分体结构的矿灯电池仓和安全帽，所述矿灯电池仓设置有MCU处理器1、无线通讯模块4、天线5、蓄电池壳体2、蓄电池3、灯头8，所述安全帽设置有脑电电极9、脑电采集模块10、运动监测模块11，所述MCU处理器1、无线通讯模块4、灯头8、脑电采集模块10、运动监测模块11均通过蓄电池3供电，所述脑电电极9和脑电采集模块10相连接，所述MCU处理器1分别与无线通讯模块4、脑电采集模块10、运动监测模块11相连接。进一步的，所述MCU处理器1和无线通讯模块4安装在同一电路板上。
安全帽上的脑电采集模块10、运动监测模块11，采集的信号通过连接线6与矿灯电池仓内的电路板相连接，信号发送到MCU处理器1，所述连接线6采用通过有‘MA’认证标识的多芯煤安线。进一步的，所述灯头8位于安全帽时，所述蓄电池3通过连接线6向灯头8供电。
具体来说，所述矿灯电池仓采用便携式结构，可以作为井下人员的常备设备，还包括连接灯头8和蓄电池3的电缆，所述灯头8可以固定安装在安全帽上或挂在作业人员脖子上(不照明时，作业人员最长远的佩戴方式)，通过多芯煤安线连接到蓄电池3，所述蓄电池3可以放置在矿井作业人员的腰部背侧，从而减轻安全帽的重量。进一步的，所述MCU处理器1、无线通讯模块4和与其连接的天线5，都可以安装在包装蓄电池3的蓄电池壳体2里。
所述MCU处理器1与无线通讯模块4在同一块电路板，通过多芯煤安线6与脑电采集模块10、运动监测模块11连接，进一步的，线缆两端可以设置航空插头，方便插接。本实用新型中，利用跨在腰部的矿灯的蓄电池3，经过航空插头，把电源传输到安全帽的脑电采集模块10、运动监测模块11，MCU处理器1通过跨在腰部的无线通讯模块4把数据通过无线方式传输到网关。本实用新型既能减轻头部负担，降低头部信号辐射，符合安标认证要求。
下面对本实用新型的安全帽1的各部件进行详细描述：
脑电电极9，安装在安全帽内侧的帽衬上(图1中最上部部件的内侧)，拧紧帽衬后，脑电电极9紧贴作业人员的额头部位，方便采集脑电信号，经过电极线传输到脑电采集模块10。
脑电采集模块10，外接脑电电极9，将脑电电极9的信号进行采集，经过滤波，进行模数转换，转换为数字信号并发送到MCU处理器1。
MCU处理器1，用于对脑电信号进行编码处理，将数据发送到无线通讯模块4。
安全帽帽衬12，是各传感器和电路板的载体，各个传感器及处理器都安装在安全帽帽衬上。安全帽帽衬固定在安全帽内侧固定槽内。
多芯煤安线6上可以设置有固定线缆的锁扣，位于安全帽的尾部，可对通讯线缆起到保护和固定。
所述线缆6能够实现供电和通讯，通过安全帽后端引出，由线尾端的航空插头接入矿灯的蓄电池壳体。其中两根电源线从蓄电池壳体取电，分别输送到帽衬上的脑电采集模块10、运动采集模块11和灯头8。
蓄电池壳体2，跨在矿工的腰间，内含蓄电池3及处理器MCU处理器1、无线通讯模块4。蓄电池3为灯头8及本实用新型提供电力支持。
结合图1所示，本实用新型包含四个相对独立的部件：安全帽帽衬7，包含脑电电极9、脑电采集模块10、运动监测模块11和多芯煤安线缆6等零件，多芯煤安线缆6通过航空插头，可以与上盖部件13实现拔插。所述上盖部件13，包含灯头8的插头以及指示灯；下盖部件14，包含MCU处理器1、蓄电池壳体2、蓄电池3、无线通讯模块4、天线5等零件，所述无线通讯模块4与天线5相连接，所述上盖部件13和下盖部件14通过螺钉12固定连接；灯头组件，一端通过插头与上盖部件13相连接，另一端通过插头连接有灯头8。
结合图2所示，是本实用新型的电路原理框图。脑电信号是大脑神经元细胞体生理活动所产生的电位综合，具有丰富的大脑活动信息，脑电信号及其微弱，其主要频段在0.5Hz-100Hz，信号幅值范围仅为5uV-100uV，极易受到干扰，且人体本身带有多种干扰源，如工频，肌电，基线漂移等，因此脑电采集及前端的处理极为重要。
脑电电极9为镀金电极，灵敏度高，低阻抗，可有效采集原始脑电信号。脑电采集模块10与脑电电极9相连接，包含前置滤波电路，限幅电路，模数转换电路，作为生命保障系统的主要部件，能够高灵敏度，有效提取脑电信号转化为数字信号。
运动监测模块，可以监测作业人员行为特点、头部姿态，从而判断作业人员的行为是否正常，采用MPU-9250九轴传感器。
通过大脑活跃程度和人员的运动状态、头部姿态，可以基本描绘一个作业人员的状态，实现基于体征的矿井作业人员安全监测。
所述MCU处理器1为微处理器电路，通过TTL串口读取脑电采集模块10传输过来的脑电数字信号和运动监测部件11传输过来的人员行为数据，然后通过无线通讯模块4，传输到后端监控平台。无线通讯模块4安装在矿灯的蓄电池壳体2，接收到来自MCU处理器1的编码信息，并通过无线发射出去。无线通讯模块4连接有天线5，增加发射功率，使无线信号的传输更远，更稳定。
如图3所示，是本实用新型的脑电电极9的电路示意图。脑电电极9提供脑电电极接口，连接2个差分电极和1个参考电极，电极使用镀金，导电性好。脑电电极9后面连接有脑电滤波电路HDSC(U1)，脑电电极9采集脑电信号转化为数字信号后，用串口TTL电平传送脑电采集模块10的串口1。
如图4所示，所述无线通讯模块4采用WIFI模块E103-W10，记为U4，带有ipex接口的天线座，可以使用外接天线，接入WIFI网络，通过WiFi无线网络把脑电信号传输到公网。U4的WiFi使用PIN6，PIN7的TTL串口连接到微处理器。根据不同煤矿的需求，也可以采用4G模块EC200。
如图5所示，所述MCU处理器1采用微处理器HC32F005C6UA，记为处理器U5，U5通过TTL串口PIN2，PIN3驱动WiFi模块工作，可实现注册，联网，数据传输。U5的Pin3为串口0发送脚，连接到电阻R1，通过R1连接到U4的串口接收PIN6，U4通过Pin6接收U5发送的数据。U5的Pin2为串口0数据接收脚，连接到电阻R2，通过R2连接到U4的串口发送PIN7，U4通过Pin7发送数据到U5的Pin2脚。
所述微处理器HC32F005C6UA，是华大半导体的32MHZ Cortex-M0+32位CPU平台，具有多种灵活的功耗管理系统，带有32k字节的具有擦写保护功能的Flash，附带奇偶校验功能的4k字节数据Ram，丰富的多路uart,spi,i2c外设通讯接口，宽工作电压范围，集成12位1Msps高精度SARADC，具有高整合度，高抗干扰，高可靠性的特点。
所述基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，将蓄电池和无线通讯模块放置于腰部，能够有效减轻安全帽的重量，降低无线信号对脑部的影响，使产品符合安标认证的要求；根据安全帽的脑电模块和运动监测模块，能够有效的探测作业人员的大脑清醒度情况和作业人员的行为状态，以及对应发出报警信号，安全性高，结构简单，使用方便，具有更好的应用效果。
Claims (7)
1.一种基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，其特征在于：包括分体结构的矿灯电池仓和安全帽，所述矿灯电池仓设置有用于供电的蓄电池、包括WiFi或4G/5G通讯模块的无线通讯模块、MCU处理器和矿灯；所述安全帽设置有脑电采集模块、运动监测模块；所述脑电采集模块的数据，运动监测模块采集的基于体征监测的矿井作业人员安全监测数据，通过有线下传到电池仓的MCU处理器；所述MCU处理器与无线通讯模块相连接；所述矿灯设置有电源连接插头，用于连接灯头；所述安全帽设置有插槽，用于连接灯头。
2.根据权利要求1所述的基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，其特征在于：在安全帽内侧的帽衬安装有脑电电极，脑电电极经过电极线传输到脑电采集模块，脑电数据直接传输到电池仓的MCU处理器。
3.根据权利要求2所述的基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，其特征在于：所述脑电电极提供脑电电极接口，接差分及参考电平三个电极，电极使用镀金。
4.根据权利要求1所述的基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，其特征在于：所述运动监测模块，用于监测作业人员行为特点、头部姿态，从而判断作业人员的行为是否正常，采用MPU-9250九轴传感器。
5.根据权利要求1所述的基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，其特征在于：所述矿灯还设置有蓄电池壳体，所述蓄电池和无线通讯模块都安装在蓄电池壳体上，所述蓄电池用于向无线通讯模块、MCU处理器、矿灯、以及脑电采集模块、运动监测模块供电。
6.根据权利要求1所述的基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，其特征在于：所述MCU处理器采用微处理器HC32F005C6UA。
7.根据权利要求1所述的基于体征监测的矿井作业人员安全监测装置，其特征在于：所述无线通讯模块采用WIFI模块E103-W10或者EC200移动4G通讯模块。
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