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煤礦瓦斯檢測點由于安裝位置較遠，瓦斯濃度信號滯后，已經嚴重影響了煤礦的安全生產。以ZigBee無線通信協議為研究對象，選用902～928MHz的頻段，構建超低功耗無線傳感器網絡。使用嵌入式操作系統，打造智能頭盔語音終端，作為無線傳感器網絡節點，實時采集井下環境的各項參數。提出了一種新穎的煤礦安全監測方案，實現對礦區瓦斯濃度、溫度、濕度的在線監測和智能預警，還可以使用無線語音通話通信功能，及時與地面控制中心溝通，以進一步降低煤礦生產中的安全隱患。實踐證明，該方案對于井下復雜的工況具有一定的可行性和應用性。 1引言 近年來礦難事故的不斷發生，暴露出當前監控系統的許多弊端：煤礦安全技術上相對落后，生產信息化程度低，使得井下安全信息不能及時反饋到地面生產控制中心。目前，我國大中型煤礦已經裝備了大量井下通信設備，組建了地下網絡，很大程度上改善了我國煤礦安全生產狀況。ZigBee是一種新型的短距離無線通信技術，其低功耗、低成本的特點適合于井下的無線通信領域；而LED礦燈安全帽因其能耗低、電池重量輕的優點受到礦區的普遍歡迎。本文結合兩者優點，利用現有的通信網絡，設計出一款新型智能頭盔，使用ZigBee技術組建無線傳感器網絡，移動采集井下實時工作環境的溫度、濕度等參數，返回地面控制中心，而且無線語音通話可以及時和中心溝通生產情況，構建煤礦安全生產的信息化網絡管理平臺。 2總體方案 2.1 ZigBee技術 ZigBee是一種以IEEE802.15.4協議為基礎的無線通信標準，能夠工作在3個不同的免執照頻段上：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，此技術的最顯著特點是它的低功耗和低成本，適合于礦山自動控制領域。 2. 2 方案架構 ZigBee 方案的總體框圖如圖1 所示。 圖1 ZigBee 方案的總體框圖 在地下礦井鋪設通信電纜，巷道內根據需要架設無線基站，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無線網絡。無線基站實時獲得由礦工的智能頭盔移動采集的各項參數，經過通信電纜返回地面監控中心。監控中心還可以通過網絡向井下傳達語音指令，不同作業面的礦工之間也可以通過無線基站進行語言交流，互相之間保持暢通聯系，無論是正常工作環境，還是應對發生突發事件，都是一種很好的安全監測方案。 3硬件電路設計 3.1硬件電路框圖 無線智能頭盔的設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、瓦斯濃度信號，經CC2420無線模塊送入ZigBee網絡；當瓦斯濃度大于4%時，則直接經CMX639解碼電路發出報警聲音。若想通話，使用鍵盤撥號，經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64 MHz，板載接口豐富，支持μCOS-II 和μCLinux 等操作系統。 3. 3 射頻收發模塊 射頻模塊選用Chipcon公司的CC2420。CC2420的主要特點：一款符合IEEE802.15.4規范的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，系統成本低，性能穩定且功耗極低。利用此芯片開發的ZigBee無線通信設備，支持數據傳輸率高達250kb/s，碼片速率達2MChip/s，可以實現多點對多點的快速組網。射頻電路圖如圖3所示，以S3C44B0X 嵌入式處理器和射頻發射芯片為核心，輔以外圍放大電路與濾波電路實現語音通信。 圖3 射頻電路圖 3. 4 溫、濕度傳感模塊 溫、濕度傳感模塊設計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溫度補償，并且是線性電壓，可直接連接帶ADC輸入的微計算機。特別設計的成型封裝和涂層材料能夠確保即使在嚴苛環境下的耐受性和可靠性。可廣泛應用于：智能家居、HCPV控制、工業工序控制 、醫療、汽車、環境監控等諸多領域。 高精度濕度測量傳感器模塊HTW-211參數： 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校準模塊 FSM-T-01。FSM-T-01是甲烷氣體報警器的預校準模塊。此模塊采用TGS2611傳感器配合優化的經典電路測量甲烷氣體濃度，經過費加羅高精度的標定設備進行預校準，并以成熟的老化工藝生產。本模塊設計旨在較大限度地為用戶節省開發及生產成本，讓用戶可以更容易，更簡單地制造出民用天燃氣氣體報警器。 甲烷氣體預校準模塊 FSM-T-01參數： 4 結語 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絡節點與語音終端的煤礦安全監測方案，能夠實現對礦區瓦斯濃度、溫度、濕度實時監測和智能預警，并使用語音通信功能以進一步降低煤礦生產中的安全隱患。 ZigBee 無線傳感器網絡具有覆蓋面積大、組網靈活、支持結點多、成本低廉、能耗低等特點，采用此技術的新型智能頭盔能夠滿足井下安全生產管理的需要。今后的工作可以結合ZigBee 無線網絡定位技術，實現井下人員準確定位，及時掌握礦工的動態分布情況，以進一步完成更復雜的監測與救援任務。 |
