礦用智能安全頭盔的設計

孔麗麗，易春求

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

0 引 言

在我國經濟迅猛發展的形勢下，雖然我國煤礦安全生產狀況得到了極大改善，但是生產事故卻偶有發生。隨著國家對工人安全管理的不斷重視，煤礦行業都在信息化管理技術上不斷探索創新[1]。一些大型國有煤礦企業實施了以有線工業以太網、無線傳感網絡或物聯網為通信網絡核心的煤礦綜合自動化系統平臺，該系統的使用在一定程度上提高了煤礦的安全管理水平[2]。煤礦物聯網的建設主要圍繞三個方面，即：①認識井下人員周圍的安全環境，實現主動的安全；②認識礦山重大災害風險，實現各類災害事故的預報和預警；③認識礦山重大設備工作的健康狀況，實現可預測的維護[3]。

安全頭盔是井下人員不可缺少的防護裝備。傳統的頭盔僅具有頭部防護作用，無法對周圍環境進行主動預測，更無法對工作人員是否正確佩戴進行監管。CHENG等[4]采用ZigBee網絡設計安全頭盔，ZigBee適合近距離傳輸，不適用較遠的距離；石自輝[5]、黃抒藝[6]針對地面上電力行業作業場景而設計的智能安全帽，與地下礦井作業場景有較大差別。本文結合物聯網、無線傳感網絡技術在煤礦行業的應用，所設計的智能安全頭盔是煤礦物聯網系統的一種智能終端。它可以實現礦工作業環境監測、井下人員定位、實時語音通信、脫帽聲光報警等功能，并將這些信息通過無線網絡傳輸至地面監控指揮中心。

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

基于物聯網的智能安全頭盔作為煤礦物聯網平臺的一種智能終端，集人員定位、智能考勤、語音通話、危險預警、照明燈光、無線傳輸等多種功能于一體，及時將數據通過無線通信傳輸至地面監控中心。地面監控中心將收集的收據進行有效分析，以提高工作和管理效率。智能安全頭盔系統從功能上主要由工人生人員定位模塊、環境信息采集模塊、無線通信傳輸模塊、佩戴異常預警、聲光報警模塊等五個模塊組成，系統總體設計結構框架如圖1所示。鑒于GPS在礦井復雜環境下無法使用，又對比RFID、ZigBee、Wifi、UWB四類室內無線定位技術，因RFID在成本、功耗、定位精度、有效傳輸距離等方面更具優勢，最終確定工作人員定位模塊采用RFID技術[7]。此外，RFID技術還可以實現人員考勤，進一步提高了人員管理效率。環境信息采集模塊主要實現對礦區環境瓦斯濃度、一氧化碳濃度、溫濕度等信息的采集。無線通信模塊主要實現將人員定位信息和環境檢測信息傳輸至地面監控中心。

2 智能安全頭盔硬件設計

智能安全頭盔硬件系統主要由微處理器最小系統、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計

智能安全頭盔系統的微處理器選用STM32F103，其主頻達72 MHz，外設豐富，適應環境溫度-40～85 ℃，滿足設計需求[8]。 電源是整個系統的重要模塊，系統采用體積小、容量高的鋰電池供電。 根據系統各個模塊需求，分別設計了3.3 V、5 V的穩壓電路。

2.2 環境信息采集模塊設計

1) 有毒氣體檢測單元。選用MQ2檢測瓦斯濃度、MQ7檢測一氧化碳濃度。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。 STM32F103內部集成8路12-bit AD轉換功能，因此只需將MQ2、MQ7與STM32F103的模擬量輸入端口連接。 設定有毒氣體上線閾值，當超出閾值時會發出聲光報警以提示工作人員(圖3)。

2) 溫濕度檢測單元。設計中選擇的溫濕度傳感器型號為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，分別為數據線SDA和時鐘線SCL。為提高驅動能力，兩根線分別通過10 Ω的上拉電阻接電源。

2.3 RFID定位模塊設計

RFID定位系統主要由標簽、閱讀器、后臺管理數據庫三部分組成[9]。 RFID標簽位于智能安全頭盔上，閱讀器分布在礦井中。 RFID標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 佩戴異常預警模塊設計

佩戴異常檢測單元采用壓力傳感器，將壓力應變片布置于頭盔內部。通過檢測壓力的變化，來判斷工作人員是否正確戴帽，當檢測到違規佩戴，將會發出聲光報警，同時將違規人員信息通過無線通信傳輸至地面監控指揮中心。主控制器STM32 F103通過12-bit模擬量輸入口AI采集壓力傳感器數值。接口方式如圖5所示。

2.5 無線通信模塊設計

長距離無線通信模塊選用SIM800C，它是一款GSM/GPRS模塊，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸，尺寸小、重量輕，溫度范圍為-40～85 ℃，非常符合設計要求。SIM800C通過串口TXD、RXD與STM32F103通信，其接口方式見圖6。SIM800C可插入標準尺寸SIM卡。

圖3 環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計

智能安全頭盔智能終端是在ARM嵌入式硬件平臺上開發的。依據每個任務的功能將模塊劃分為系統初始化、數據采集、無線接收和發送。數據采集部分主要包括定位數據、環境信息數據、佩戴檢測數據等。軟件設計的總體流程如圖7所示。

3.1 有毒氣體檢測模塊軟件設計

有毒氣體傳感器MQ2和MQ7主要負責檢測工作環境中有毒氣體的濃度，并將數據通過無線通信傳輸至地面監控中心，當檢測濃度超出預設的報警閾值時，會發出報警。該模塊的軟件流程見圖8。同理，佩戴異常預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 有毒氣體檢測模塊軟件流程圖Fig.8 Software flow of toxic gas detection module

3.2 溫濕度檢測模塊軟件設計

微處理器通過I2C總線讀取溫濕度傳感器的數據，采用主從工作方式，I2C總線讀取數據的流程如圖9所示。微處理器作為主機，濕度傳感器作為從機。主機往總線上發送地址，從機尋址應答，主機收到應答信號后，兩者之間的通信就建立起來，可以傳送數據，如果主機產生結束信號后，數據傳輸終止。

3.3 無線通信模塊軟件設計

無線通信模塊SIM800C采用AT指令與微處理器端進行通訊連接。使用AT指令進行語音通訊、數據及短信業務等方面的通信控制。AT指令使用“AT”作為開頭，采用“回車符”作為指令結尾。AT指令發送之后，終端設備會很快做出應答。SIM800C所提供的常用AT見表1[10]。

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

表1 常用AT指令Table 1 Common AT instructions

4 智能安全頭盔系統設計

4.1 智能安全頭盔概念設計

基于4G物聯網智能安全頭盔作為煤礦物聯網平臺的一種智能終端，集人員定位、智能考勤、語音通話、危險預警、照明燈光、無線傳輸等多種功能于一體，本文對智能安全頭盔外觀結構進行了概念設計，如圖10所示。硬件模塊核心電路板裝在頭盔后面，照明燈、語音設備裝在前面，佩戴異常檢測壓力傳感器布置在頭盔內部。

圖10 智能安全頭盔概念設計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，首先進入自檢過程，自檢過程完成后，將發送一條信息至地面監控中心，該信息包含傳感器狀態、定位數據等，之后，智能頭盔系統進入佩戴監控狀態。在佩戴監控狀態下，如檢測到佩戴異常，將發出語音報警，并發送信息至地面監控中心，正確佩戴后，系統方可進入正式監測狀態。其后將定期發送監控數據至地面監控中心，如監測到異常，將發出聲光報警。地面監控中心可實現對數據的采集、管理，并可以通過PC平臺、手機APP等方式將信息呈現給地面管理人員。

5 結 語

煤礦生產安全一直是國家關注的重點工程，也吸引了很多大型煤礦企業在信息化管理上不斷創新開發煤礦物理聯網智能安全平臺。針對目前礦井下工作人員存在的安全問題，本文結合物聯網、無線傳感網絡在煤礦智能化領域的應用，設計了一種煤礦物聯網終端智能安全頭盔。該系統以STM32硬件平臺為基礎，融入了人員定位、環境信息采集、佩戴異常報警、無線傳輸、語音通話等功能，對系統的軟硬件進行詳細設計，并進行了安全頭盔的系統概念設計。其功能滿足煤礦安全要求，對提高礦區智能化安全管理有很好的促進作用，在煤礦智能化安全領域具有廣闊的應用前景。