礦用智能安全頭盔的設(shè)計(jì)

孔麗麗，易春求

(1.中國計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018；2.奧的斯機(jī)電有限公司，浙江 杭州 310019)

0 引 言

在我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的形勢(shì)下，雖然我國煤礦安全生產(chǎn)狀況得到了極大改善，但是生產(chǎn)事故卻偶有發(fā)生。隨著國家對(duì)工人安全管理的不斷重視，煤礦行業(yè)都在信息化管理技術(shù)上不斷探索創(chuàng)新[1]。一些大型國有煤礦企業(yè)實(shí)施了以有線工業(yè)以太網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)或物聯(lián)網(wǎng)為通信網(wǎng)絡(luò)核心的煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)，該系統(tǒng)的使用在一定程度上提高了煤礦的安全管理水平[2]。煤礦物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)主要圍繞三個(gè)方面，即：①認(rèn)識(shí)井下人員周圍的安全環(huán)境，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的安全；②認(rèn)識(shí)礦山重大災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)各類災(zāi)害事故的預(yù)報(bào)和預(yù)警；③認(rèn)識(shí)礦山重大設(shè)備工作的健康狀況，實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)的維護(hù)[3]。

安全頭盔是井下人員不可缺少的防護(hù)裝備。傳統(tǒng)的頭盔僅具有頭部防護(hù)作用，無法對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行主動(dòng)預(yù)測(cè)，更無法對(duì)工作人員是否正確佩戴進(jìn)行監(jiān)管。CHENG等[4]采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)安全頭盔，ZigBee適合近距離傳輸，不適用較遠(yuǎn)的距離；石自輝[5]、黃抒藝[6]針對(duì)地面上電力行業(yè)作業(yè)場(chǎng)景而設(shè)計(jì)的智能安全帽，與地下礦井作業(yè)場(chǎng)景有較大差別。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦行業(yè)的應(yīng)用，所設(shè)計(jì)的智能安全頭盔是煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一種智能終端。它可以實(shí)現(xiàn)礦工作業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)、井下人員定位、實(shí)時(shí)語音通信、脫帽聲光報(bào)警等功能，并將這些信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面監(jiān)控指揮中心。

1 礦用智能安全頭盔的原理及功能

圖1 智能安全頭盔原理Fig.1 Principle diagram of intelligent safety helmet

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能安全頭盔作為煤礦物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的一種智能終端，集人員定位、智能考勤、語音通話、危險(xiǎn)預(yù)警、照明燈光、無線傳輸?shù)榷喾N功能于一體，及時(shí)將數(shù)據(jù)通過無線通信傳輸至地面監(jiān)控中心。地面監(jiān)控中心將收集的收據(jù)進(jìn)行有效分析，以提高工作和管理效率。智能安全頭盔系統(tǒng)從功能上主要由工人生人員定位模塊、環(huán)境信息采集模塊、無線通信傳輸模塊、佩戴異常預(yù)警、聲光報(bào)警模塊等五個(gè)模塊組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。鑒于GPS在礦井復(fù)雜環(huán)境下無法使用，又對(duì)比RFID、ZigBee、Wifi、UWB四類室內(nèi)無線定位技術(shù)，因RFID在成本、功耗、定位精度、有效傳輸距離等方面更具優(yōu)勢(shì)，最終確定工作人員定位模塊采用RFID技術(shù)[7]。此外，RFID技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)人員考勤，進(jìn)一步提高了人員管理效率。環(huán)境信息采集模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)環(huán)境瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、溫濕度等信息的采集。無線通信模塊主要實(shí)現(xiàn)將人員定位信息和環(huán)境檢測(cè)信息傳輸至地面監(jiān)控中心。

2 智能安全頭盔硬件設(shè)計(jì)

智能安全頭盔硬件系統(tǒng)主要由微處理器最小系統(tǒng)、電源模塊、有毒氣體傳感器、溫濕度傳感器、RFID定位單元、陀螺儀、聲光報(bào)警裝置、無線通信模塊等組成，其硬件原理圖如圖2所示。

圖2 智能安全頭盔硬件原理Fig.2 Hardware principle diagram ofintelligent safety helmet

2.1 微處理器及外圍電路設(shè)計(jì)

智能安全頭盔系統(tǒng)的微處理器選用STM32F103，其主頻達(dá)72 MHz，外設(shè)豐富，適應(yīng)環(huán)境溫度-40～85 ℃，滿足設(shè)計(jì)需求[8]。 電源是整個(gè)系統(tǒng)的重要模塊，系統(tǒng)采用體積小、容量高的鋰電池供電。 根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)模塊需求，分別設(shè)計(jì)了3.3 V、5 V的穩(wěn)壓電路。

2.2 環(huán)境信息采集模塊設(shè)計(jì)

1) 有毒氣體檢測(cè)單元。選用MQ2檢測(cè)瓦斯?jié)舛?、MQ7檢測(cè)一氧化碳濃度。MQ2、MQ7都屬于MQ系列氣體傳感器，接口類型相同。 輸出0～5 V模擬量電壓信號(hào)。 STM32F103內(nèi)部集成8路12-bit AD轉(zhuǎn)換功能，因此只需將MQ2、MQ7與STM32F103的模擬量輸入端口連接。 設(shè)定有毒氣體上線閾值，當(dāng)超出閾值時(shí)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警以提示工作人員(圖3)。

2) 溫濕度檢測(cè)單元。設(shè)計(jì)中選擇的溫濕度傳感器型號(hào)為HTU21D，其具有超小的體積、更低的功耗，精度為±2%RH。與STM32F103之間為I2C總線接口方式。通信僅需兩根線，分別為數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL。為提高驅(qū)動(dòng)能力，兩根線分別通過10 Ω的上拉電阻接電源。

2.3 RFID定位模塊設(shè)計(jì)

RFID定位系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、閱讀器、后臺(tái)管理數(shù)據(jù)庫三部分組成[9]。 RFID標(biāo)簽位于智能安全頭盔上，閱讀器分布在礦井中。 RFID標(biāo)簽電路的射頻芯片選擇TI公司的CC1101，其工作頻率為433 MHz，低電流損耗，接收模式時(shí)電流僅為15.6 mA。CC1101與STM32F103之間采用SPI接口方式，接口方式示意圖如圖4所示。

2.4 佩戴異常預(yù)警模塊設(shè)計(jì)

佩戴異常檢測(cè)單元采用壓力傳感器，將壓力應(yīng)變片布置于頭盔內(nèi)部。通過檢測(cè)壓力的變化，來判斷工作人員是否正確戴帽，當(dāng)檢測(cè)到違規(guī)佩戴，將會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)將違規(guī)人員信息通過無線通信傳輸至地面監(jiān)控指揮中心。主控制器STM32 F103通過12-bit模擬量輸入口AI采集壓力傳感器數(shù)值。接口方式如圖5所示。

2.5 無線通信模塊設(shè)計(jì)

長(zhǎng)距離無線通信模塊選用SIM800C，它是一款GSM/GPRS模塊，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸，尺寸小、重量輕，溫度范圍為-40～85 ℃，非常符合設(shè)計(jì)要求。SIM800C通過串口TXD、RXD與STM32F103通信，其接口方式見圖6。SIM800C可插入標(biāo)準(zhǔn)尺寸SIM卡。

圖3 環(huán)境信息采集模塊接口Fig.3 Environment information acquisitionmodule interface

圖4 RFID模塊接口Fig.4 RFID module interface

圖5 佩戴異常預(yù)警模塊接口Fig.5 Wear abnormal warning module interface

圖6 無線通信模塊接口Fig.6 Wireless communication module interface

3 智能安全頭盔軟件設(shè)計(jì)

智能安全頭盔智能終端是在ARM嵌入式硬件平臺(tái)上開發(fā)的。依據(jù)每個(gè)任務(wù)的功能將模塊劃分為系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、無線接收和發(fā)送。數(shù)據(jù)采集部分主要包括定位數(shù)據(jù)、環(huán)境信息數(shù)據(jù)、佩戴檢測(cè)數(shù)據(jù)等。軟件設(shè)計(jì)的總體流程如圖7所示。

3.1 有毒氣體檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

有毒氣體傳感器MQ2和MQ7主要負(fù)責(zé)檢測(cè)工作環(huán)境中有毒氣體的濃度，并將數(shù)據(jù)通過無線通信傳輸至地面監(jiān)控中心，當(dāng)檢測(cè)濃度超出預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警。該模塊的軟件流程見圖8。同理，佩戴異常預(yù)警模塊的軟件流程與此相似。

圖7 軟件總流程圖Fig.7 Overall software flow

圖8 有毒氣體檢測(cè)模塊軟件流程圖Fig.8 Software flow of toxic gas detection module

3.2 溫濕度檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

微處理器通過I2C總線讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，采用主從工作方式，I2C總線讀取數(shù)據(jù)的流程如圖9所示。微處理器作為主機(jī)，濕度傳感器作為從機(jī)。主機(jī)往總線上發(fā)送地址，從機(jī)尋址應(yīng)答，主機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后，兩者之間的通信就建立起來，可以傳送數(shù)據(jù)，如果主機(jī)產(chǎn)生結(jié)束信號(hào)后，數(shù)據(jù)傳輸終止。

3.3 無線通信模塊軟件設(shè)計(jì)

無線通信模塊SIM800C采用AT指令與微處理器端進(jìn)行通訊連接。使用AT指令進(jìn)行語音通訊、數(shù)據(jù)及短信業(yè)務(wù)等方面的通信控制。AT指令使用“AT”作為開頭，采用“回車符”作為指令結(jié)尾。AT指令發(fā)送之后，終端設(shè)備會(huì)很快做出應(yīng)答。SIM800C所提供的常用AT見表1[10]。

圖9 溫濕度檢測(cè)模塊軟件流程圖Fig.9 Software flow of temperature humiditydetection module

表1 常用AT指令Table 1 Common AT instructions

4 智能安全頭盔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 智能安全頭盔概念設(shè)計(jì)

基于4G物聯(lián)網(wǎng)智能安全頭盔作為煤礦物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的一種智能終端，集人員定位、智能考勤、語音通話、危險(xiǎn)預(yù)警、照明燈光、無線傳輸?shù)榷喾N功能于一體，本文對(duì)智能安全頭盔外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，如圖10所示。硬件模塊核心電路板裝在頭盔后面，照明燈、語音設(shè)備裝在前面，佩戴異常檢測(cè)壓力傳感器布置在頭盔內(nèi)部。

圖10 智能安全頭盔概念設(shè)計(jì)Fig.10 Concept design of intelligent safety helmet

4.2 智能安全頭盔工作過程

打開電源開關(guān)，首先進(jìn)入自檢過程，自檢過程完成后，將發(fā)送一條信息至地面監(jiān)控中心，該信息包含傳感器狀態(tài)、定位數(shù)據(jù)等，之后，智能頭盔系統(tǒng)進(jìn)入佩戴監(jiān)控狀態(tài)。在佩戴監(jiān)控狀態(tài)下，如檢測(cè)到佩戴異常，將發(fā)出語音報(bào)警，并發(fā)送信息至地面監(jiān)控中心，正確佩戴后，系統(tǒng)方可進(jìn)入正式監(jiān)測(cè)狀態(tài)。其后將定期發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)至地面監(jiān)控中心，如監(jiān)測(cè)到異常，將發(fā)出聲光報(bào)警。地面監(jiān)控中心可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、管理，并可以通過PC平臺(tái)、手機(jī)APP等方式將信息呈現(xiàn)給地面管理人員。

5 結(jié) 語

煤礦生產(chǎn)安全一直是國家關(guān)注的重點(diǎn)工程，也吸引了很多大型煤礦企業(yè)在信息化管理上不斷創(chuàng)新開發(fā)煤礦物理聯(lián)網(wǎng)智能安全平臺(tái)。針對(duì)目前礦井下工作人員存在的安全問題，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)在煤礦智能化領(lǐng)域的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種煤礦物聯(lián)網(wǎng)終端智能安全頭盔。該系統(tǒng)以STM32硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，融入了人員定位、環(huán)境信息采集、佩戴異常報(bào)警、無線傳輸、語音通話等功能，對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了安全頭盔的系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)。其功能滿足煤礦安全要求，對(duì)提高礦區(qū)智能化安全管理有很好的促進(jìn)作用，在煤礦智能化安全領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。