基于ZigBee技術的礦井智能頭盔＊

鄧優林，劉海妹，傅 巍

（湖南安全技術職業學院，湖南 長沙 410151）

近些年來，隨著安全意識的不斷提高，對礦井作業的安全設備提出了新的需求，迅速采集礦井各數據參數，將其及時傳遞到地面的監控中心，并在危險的情況下，及時通知施工人員撤離，顯得越來越有現實價值。ZigBee技術是一種短距離的無線通信方式，功耗較低，成本低廉，因此很適合進行礦井無線數據傳輸。

此外，通過ZigBee組建傳感器無線通信網絡，將數據通過中心節點轉發給地面控制中心，也很容易設計；還可以通過增加本地語音播報模塊，在判斷溫度過高、瓦斯濃度較大時，及時進行聲音播報，警示人員盡快撤離危險區域，將事故發生率降到最低。

1 總體方案

1.1 ZigBee技術簡介

在通信技術迅猛發展的今天，無線通信技術已經不再是新的名詞，作為通信領域的一個重要分支，包括WiFi、RF、4G/5G及Bluetooth等。這些無線通信技術各有特色，應用范圍也很不一樣，總體來講，都普遍存在著功耗較大、價格相對較高等劣勢。ZigBee屬于無線通信技術的一種，一般傳輸距離在10～75 m，因為其超低功耗、通信距離適中、低復雜度、低成本等優勢，正逐步被應用到各種環境數據采集及無線傳輸當中。

此外，因為協議遵從802.15.4國際標準，各個傳感器之間很容易進行組網，將有效數據以無線接力的方式，逐步傳遞到遠端監控節點，實現了即使很低功耗也能進行可靠傳輸的通信方式。

1.2 系統總體結構

本系統設計的智能頭盔系統主要包括兩大部分，即礦下智能頭盔數據采集網絡和地面控制中心，如圖1所示。

1.2.1 終端節點

終端節點主要表現形式為智能頭盔，內部包含ZigBee無線控制器、溫濕度傳感器及瓦斯濃度檢測傳感器等。

圖1 系統架構圖

1.2.2 網絡協調器

網絡協調器也是由ZigBee通信模塊組成，它的主要作用是組建網絡，通過掃描周圍的無線節點，選擇合適的參數，進行ZigBee網絡的建立。

1.2.3 路由轉接器

路由轉接器負責地面有線通信與地下無線通信的數據轉接，由獨立的MCU控制器組成，它既可以將ZigBee獲取到的數據轉換成有線的方式，上傳到地面監控中心，也可以將受到的控制命令通過串口通信的方式發送給ZigBee模塊，后者以無線數據方式發送給網絡協調器，進行轉發。

1.2.4 地面控制中心

地面控制中心主要是以上位機的形式運行特定的監控軟件，實時更新顯示各個終端節點的數據，在有異常時，及時下發控制指令，進行危險報警通知。

2 硬件設計

2.1 整體框圖

ZigBee智能硬件頭盔主要包括如下幾個部分：ZigBee模塊CC2430、瓦斯濃度傳感器、溫濕度傳感器、無線收發模塊、語音播報模塊等。整個系統的硬件框圖如圖2所示。

圖2 整體硬件框圖

2.2 CC2430系統

CC2430是TI公司設計開發的一款ZigBee芯片，內部集成無線通信協議棧，可以根據設計需要，在多種模式下靈活切換。它遵循802.15.4 ZigBee國際標準，主要的工作頻段為2.4 GHz。該芯片除了正常工作模式下消耗電流27 mA外，絕大部分時間都工作在低功耗模式下，電流消耗低至0.6 μA，這給頭盔的電能續航帶來了很大的幫助。此外，該款芯片具有豐富的I/O資源及內部AD轉換器，這就使得該芯片很容易外接各類傳感器，進行數據采集。本系統選用CC2430作為Zigbee無線通信的核心處理器，配合外部的傳感器進行數據采集。它功耗低，很容易組建無線通信網絡，對于礦井智能頭盔來說，是一個很好的選擇。

2.3 CC2591

CC2591的主要作用是提高無線通信的發射功率?？紤]到在地下礦井中信號的強度不夠，可能會影響無線通信的連接穩定性，它只需要很少的外圍器件就可以正常工作，與CC2430的通信接口也很簡單，設計方便。通過該方式，可以將CC2430的射頻功率提高6 dBm，保證了無線通信的可靠性。

2.4 溫濕度傳感器

本設計選用的溫濕度傳感器類型為SHT11，它是一種數字形式輸出、集成度很高的芯片，具有功耗較低、測量準確、穩定性強等優點。該芯片內部集成了I2C通信接口、信號調理放大、傳感器前端及模數轉換電路，工作時的電流大致為28 μA，進入睡眠時可以降低到3 μA，完全可以滿足礦井溫濕度環境檢測的要求。SHT11與MCU接口很簡單，只需要數據線DATA及時鐘線SCK即可。

2.5 瓦斯濃度傳感器

瓦斯濃度傳感器的種類有很多，本文選用的MJC4/3.0L傳感器屬于熱效應式類型，其內部的檢測電阻會隨著瓦斯燃燒時釋放熱量的增加而發生變化，即輸出電壓反映了空氣中瓦斯的濃度變化。該種類型的傳感器檢測精度較高，輸出電壓信號大，1%的瓦斯濃度可以引起輸出電壓15～20 mV的電平變化，同時也可以不受灰塵及濕度等環境因素的影響。在本設計中，為了進一步提高瓦斯濃度的檢測準確性，將傳感器輸出的毫伏級小信號經過AD623差分放大，從而提高系統檢測的可靠性。

2.6 語音播報功能

在檢測到環境瓦斯濃度超標、溫濕度檢測超標時，需要進行語音播報提醒。本設計中的語音提醒模塊，主要是基于ISD4004進行設計，其內部可以錄制8～16 min的語音，具有很高的集成度，包含振蕩器、濾波器、音頻放大器等多個部分。因為對音頻信號采用模擬量直接存儲的方式，采樣數值存儲在內部的FLASH中，聲音具有很高的真實性。此外，所有的語音控制都是基于SPI接口來通信，與外部的MCU通信非常方便。通過該語音芯片，可以實現“瓦斯濃度超標危險”“溫度過高危險”等語音提醒功能。

3 結束語

本文主要是基于當前礦井作業時安全事故頻發的背景，提出了一種將多傳感器技術及無線通信技術融入到頭盔的設計方法，通過復用頭盔的電源，從而使頭盔實現智能化。在進行電路設計時，需要考慮整個系統的功耗設計、環境惡劣情況，選擇最優的傳感器及無線通信方案。ZigBee無線通信技術，正是基于低功耗的傳感器網絡而研發設計，通過對礦井的數據采集，及時將實時數據發送到地面控制中心，完成了整個監控系統的實時監測功能。此外，該系統還帶有語音播報功能，當監測到環境比較危險時，及時提醒施工人員進行安全控制，從而最大限度地減少了災難事故的發生。