煤礦瓦斯檢測點(diǎn)由于安裝位置較遠(yuǎn)，瓦斯?jié)舛刃盘枩螅呀?jīng)嚴(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)。以ZigBee無線通信協(xié)議為研究對象，選用902～928MHz的頻段，構(gòu)建超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。使用嵌入式操作系統(tǒng)，打造智能頭盔語音終端，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集井下環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)。提出了一種新穎的煤礦安全監(jiān)測方案，實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)瓦斯?jié)舛?、溫度、濕度的在線監(jiān)測和智能預(yù)警，還可以使用無線語音通話通信功能，及時(shí)與地面控制中心溝通，以進(jìn)一步降低煤礦生產(chǎn)中的安全隱患。實(shí)踐證明，該方案對于井下復(fù)雜的工況具有一定的可行性和應(yīng)用性。
1引言
近年來礦難事故的不斷發(fā)生，暴露出當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)的許多弊端：煤礦安全技術(shù)上相對落后，生產(chǎn)信息化程度低，使得井下安全信息不能及時(shí)反饋到地面生產(chǎn)控制中心。目前，我國大中型煤礦已經(jīng)裝備了大量井下通信設(shè)備，組建了地下網(wǎng)絡(luò)，很大程度上改善了我國煤礦安全生產(chǎn)狀況。ZigBee是一種新型的短距離無線通信技術(shù)，其低功耗、低成本的特點(diǎn)適合于井下的無線通信領(lǐng)域；而LED礦燈安全帽因其能耗低、電池重量輕的優(yōu)點(diǎn)受到礦區(qū)的普遍歡迎。本文結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)出一款新型智能頭盔，使用ZigBee技術(shù)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)采集井下實(shí)時(shí)工作環(huán)境的溫度、濕度等參數(shù)，返回地面控制中心，而且無線語音通話可以及時(shí)和中心溝通生產(chǎn)情況，構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)的信息化網(wǎng)絡(luò)管理平臺。
2總體方案
2.1 ZigBee技術(shù)
ZigBee是一種以IEEE802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，能夠工作在3個(gè)不同的免執(zhí)照頻段上：全球通用的頻段是2.400～2.484GHz；歐洲采用的頻段是868.0～868.6MHz；美國采用的頻段是902～928MHz。ZigBee的有效傳輸距離為10～75m，傳輸速率可以采用250、20和40kb/s，此技術(shù)的顯著特點(diǎn)是它的低功耗和低成本，適合于礦山自動(dòng)控制領(lǐng)域。
2. 2 方案架構(gòu)
ZigBee 方案的總體框圖如圖1 所示。
圖1 ZigBee 方案的總體框圖
在地下礦井鋪設(shè)通信電纜，巷道內(nèi)根據(jù)需要架設(shè)無線基站，礦工的LED礦燈安全帽中植入ZigBee通信模塊(供電由礦燈的充電電池供電)，建立起ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。無線基站實(shí)時(shí)獲得由礦工的智能頭盔移動(dòng)采集的各項(xiàng)參數(shù)，經(jīng)過通信電纜返回地面監(jiān)控中心。監(jiān)控中心還可以通過網(wǎng)絡(luò)向井下傳達(dá)語音指令，不同作業(yè)面的礦工之間也可以通過無線基站進(jìn)行語言交流，互相之間保持暢通聯(lián)系，無論是正常工作環(huán)境，還是應(yīng)對發(fā)生突發(fā)事件，都是一種很好的安全監(jiān)測方案。
3硬件電路設(shè)計(jì)
3.1硬件電路框圖
無線智能頭盔的設(shè)備主要包括嵌入式處理器、ZigBee通信模塊、傳感器模塊、電源、MIC放大電路、話音功率放大、語音編解碼電路。其中，處理器選用三星ARM7系列的S3C44B0X芯片，ZigBee通信模塊選用Chipcon公司的CC2420射頻芯片，其硬件電路框圖如圖2所示。
圖2 硬件電路框圖
S3C44B0X處理器是電路的核心，采集的溫度、濕度、瓦斯?jié)舛刃盘?，?jīng)CC2420無線模塊送入ZigBee網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥?%時(shí)，則直接經(jīng)CMX639解碼電路發(fā)出報(bào)警聲音。若想通話，使用鍵盤撥號，經(jīng)ZigBee模塊送入地面交換中心，對方空閑返回提示音，接通后，由耳麥、CMX639編解碼電路，雙方正常通話。
3. 2 嵌入式處理器
S3C44B0X 處理器采用ARM7TDMI 核心，是一款低功耗、高性能32 位RISC 微處理器，主頻達(dá)64 MHz，板載接口豐富，支持μCOS-II 和μCLinux 等操作系統(tǒng)。
3. 3 射頻收發(fā)模塊
射頻模塊選用Chipcon公司的CC2420。CC2420的主要特點(diǎn)：一款符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4GHz射頻芯片，只需極少外部元器件，可確保短距離通信的有效性和可靠性，系統(tǒng)成本低，性能穩(wěn)定且功耗極低。利用此芯片開發(fā)的ZigBee無線通信設(shè)備，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kb/s，碼片速率達(dá)2MChip/s，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。射頻電路圖如圖3所示，以S3C44B0X 嵌入式處理器和射頻發(fā)射芯片為核心，輔以外圍放大電路與濾波電路實(shí)現(xiàn)語音通信。
圖3 射頻電路圖
3. 4 溫、濕度傳感模塊
溫、濕度傳感模塊設(shè)計(jì)采用高精度濕度測量傳感器模塊HTW-211。HTW-211是基于HumiChip?的精確可靠的濕度測量傳感器。傳感器的濕度輸出已經(jīng)溫度補(bǔ)償，并且是線性電壓，可直接連接帶ADC輸入的微計(jì)算機(jī)。特別設(shè)計(jì)的成型封裝和涂層材料能夠確保即使在嚴(yán)苛環(huán)境下的耐受性和可靠性?？蓮V泛應(yīng)用于：智能家居、HCPV控制、工業(yè)工序控制?、醫(yī)療、汽車、環(huán)境監(jiān)控等諸多領(lǐng)域。
高精度濕度測量傳感器模塊HTW-211參數(shù)：
3. 5 甲烷傳感模塊
甲烷檢測模塊采用低功耗的甲烷氣體預(yù)校準(zhǔn)模塊?FSM-T-01。FSM-T-01是甲烷氣體報(bào)警器的預(yù)校準(zhǔn)模塊。此模塊采用TGS2611傳感器配合優(yōu)化的經(jīng)典電路測量甲烷氣體濃度，經(jīng)過費(fèi)加羅高精度的標(biāo)定設(shè)備進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)，并以成熟的老化工藝生產(chǎn)。本模塊設(shè)計(jì)旨在較大限度地為用戶節(jié)省開發(fā)及生產(chǎn)成本，讓用戶可以更容易，更簡單地制造出民用天燃?xì)鈿怏w報(bào)警器。
甲烷氣體預(yù)校準(zhǔn)模塊?FSM-T-01參數(shù)：
4 結(jié)語
本文提出了一種使用智能頭盔作為井下超低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與語音終端的煤礦安全監(jiān)測方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對礦區(qū)瓦斯?jié)舛取囟?、濕度?shí)時(shí)監(jiān)測和智能預(yù)警，并使用語音通信功能以進(jìn)一步降低煤礦生產(chǎn)中的安全隱患。
ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋面積大、組網(wǎng)靈活、支持結(jié)點(diǎn)多、成本低廉、能耗低等特點(diǎn)，采用此技術(shù)的新型智能頭盔能夠滿足井下安全生產(chǎn)管理的需要。今后的工作可以結(jié)合ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下人員準(zhǔn)確定位，及時(shí)掌握礦工的動(dòng)態(tài)分布情況，以進(jìn)一步完成更復(fù)雜的監(jiān)測與救援任務(wù)。
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