一種礦工智能帽的設計及實現

摘 要： 將傳統礦工帽集成為井下個人安全的一個移動管理平臺，可最大限度地保護礦工的安全。采用MTK6235手機平臺實現了傳統礦工帽具備瓦斯濃度、溫濕度的實時監測與報警，并通過廣角夜視攝像頭和VOIP通信實現了對礦工井下作業的視頻監測和對講指揮功能。該系統可與井上綜合信息應用管理系統輕松對接，實現了對礦工安全綜合系統的智能化。

關鍵詞： 智能礦工帽； 移動管理平臺； 瓦斯濃度濃度監測； VOIP通信

中圖分類號： TN919?34； TP302 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）08?0084?02

由于煤礦安全事故的屢次發生，國家越來越重視對井下安全監測和管理，在井下安裝了大量的針對甲烷、一氧化碳等氣體的監測監控管理系統[1?2]，特別是目前針對礦山開采領域所推行綜合信息應用管理系統，全面推進煤礦等危險礦山行業管理信息化、生產自動化、安全管理實時、遠程化，這些對保證礦山安全生產和礦工的生命安全都有著十分重要的作用，也是煤炭高產、高效的重要保證。隨著電子技術和無線通信技術的發展，以往只能固定使用相關監控設備可以升級到無線便攜式的應用模式[3]，為礦山井下的安全監測應用提供了一個新的設計方案，本文中針對礦山工人的礦工帽做了全新設計，使之不再是只用來照明、保護頭部安全的工具，而是有多種監測功能、拍照功能、VOIP對講功能的個人安全綜合系統。

1 礦工智能帽的實現原理

目前礦工帽主要作用是在于照明和安全防護，考慮到礦工帽作為井下作業的必備防護工具，可考慮在礦工帽上增加一些新功能特性，比如有毒氣體的安全監測、工作環境溫/濕度測試、以及現場工作環境圖像的監測等[4?6]，這些功能可以集成在礦工帽上，與礦工燈一起附在礦工帽上，隨著礦工在井下的活動范圍變化，從而實時快速把相關信息傳送到井上監控中心。由于礦工在井下的活動空間不是完全固定，所以采用傳統控制設計模式顯然存在比較大問題，比如系統只能采用電池供電，對于設備的電源功耗進行管理，需要一個智能電源管理系統，如果采用無線信息傳輸，一般都是采用ISM頻段的WiFi，ZigBee等無線技術[7?8]，傳統設計方法是搭積木一樣的增加相關模塊設計方案。該方案不但加大了系統的設計成本和系統復雜度，而且一定程度上還會影響系統可靠性和穩定性，為此筆者通過前期大量試驗驗證，確定采用通信行業成熟應用多年MTK手機模塊6235作為系統核心控制模塊，并充分利用了該模塊的高集成度、豐富的功能特性實現了一種智能化的礦工安全帽。

2 礦工智能帽的實現方式

2.1 智能帽監測控制系統

基于MTK6235平臺的P1322模塊的尺寸只有40 mm×42 mm×3 mm，外形見圖1，它采用將120個郵票引腳孔的外接擴展方式，使模塊可以任意嵌入到用戶應用方案中，基于該模塊的智能帽監測系統總體方案如圖1所示，由后臺處理、瓦斯濃度監控、溫濕度監控、攝像頭等單元組成。

2.1.1 瓦斯濃度監控單元設計

瓦斯是威脅著礦工生命安全的主要殺手，礦井工作對“瓦斯”十分重視，井下安裝瓦斯監控設備是井下安全必備條件之一[9?10]。故瓦斯監測是智能帽核心功能之一。為此采用MH?440V/D 紅外氣體傳感器，這是集成化的通用型、智能型微型傳感器，具有很好的選擇性，無氧氣依賴性，性能穩定、壽命長且內置了溫度傳感器，可進行溫度補償。

該傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CH4進行探測，由此產生一個與甲烷含量成比例微弱信號，經過多級放大后產生一個輸出信號，該信號通過串口的方式可以直接送后臺處理，并按如下協議進行數據通信：波特率：9 600 b /s，8位數據，1位停止位，無校驗位；每幀數據9個字節，0xFF開頭，校驗值結尾；校驗值=（取反（DATA1+DATA2+…+DATA7））+1。

2.1.2 溫濕度監控單元

溫濕度監控單元中采用集成化的溫濕度傳感器AHT11和單片機STC89LE516AD，這是帶有A/D的單片機，溫度和濕度值經A/D變換即可得到相應數字信號被后臺所識別。AHT11是一款濕敏電阻型傳感器，具有檢測精度高，對礦井高濕、悶熱等特殊環境具有良好適應性。

2.1.3 攝像頭單元設計

針對礦井光線較暗的環境，本方案中采用廣角夜視攝像頭OV7725，OV7725系低功耗高性能CMOS圖像傳感器，通過封裝在很小的電路板上提供全功能單芯片VGA解決方案，通過一個攝像頭串行控制總線（SCCB）接口，能輸出多種圖像格式，如全幀、子采樣和開窗口的圖像等，并通過采用Java編程，直接實現圖像的采集。

2.2 智能帽VOIP通信的實現

礦井通信是煤礦生產指揮必備手段，煤礦作為多工序、工作點分散的生產企業，很難用通信方式和通信系統覆蓋全礦井，所以按使用分為固定通信和移動通信方式，早期數字程控調度系統，已滿足各種煤礦礦井調度通信主要需求，隨著網絡技術在礦井應用和IP語音通信不斷發展完善，IP通信應用于礦井進入成熟發展期。本系統設計考慮通信需求，鑒于采取基于無線IP通信方式，采用VOIP通信就是順理成章的事，見圖2所示。

在圖2中可以看到礦工智能帽通信原理及組成，它采用無線WiFi語音IP傳輸方式，將礦工帽注冊到IPPBX，即實現井上調度與各智能帽點對點通話。

JAIN SIP實現SIP協議棧底層到SIP實體接口，利用Java面向對象特性，使用對象、消息以及事件來描述SIP協議，并為所有SIP報頭和報文定義專門的類，通過（SipProvider/SipListener）接口，實現定義處理報文接口為事件，針對媒體流可以采用多種語音編碼方式通話，在此采用RTP協議實現對音頻數據的傳輸，如圖3所示。

3 實際應用分析

基于上述設計，對礦工安全帽上進行了擴展應用，通過與一些礦務局合作，現已成功應用于這些礦務局煤礦，并取得了良好應用效果。

該設計方案具有系統穩定，功能豐富等特點，采用MTK手機平臺可以使傳統礦工帽具備瓦斯濃度、溫濕度實時監測與報警，并通過攝像頭和VOIP通信對礦工井下作業進行視頻監測和對講指揮，真正實現了對礦工安全綜合系統智能化，對提升煤礦安全，減少煤礦事故，保障礦工人身安全起到十分積極的作用。

參考文獻

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