鄧優(yōu)林，劉海妹，傅 巍

（湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)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(yè)的安全設(shè)備提出了新的需求，迅速采集礦井各數(shù)據(jù)參數(shù)，將其及時傳遞到地面的監(jiān)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(xiàn)實價值。ZigBee技術(shù)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(shù)據(jù)傳輸。

此外，通過ZigBee組建傳感器無線通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)通過中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給地面控制中心，也很容易設(shè)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?jié)舛容^大時，及時進行聲音播報，警示人員盡快撤離危險區(qū)域，將事故發(fā)生率降到最低。

1 總體方案

1.1 ZigBee技術(shù)簡介

在通信技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，無線通信技術(shù)已經(jīng)不再是新的名詞，作為通信領(lǐng)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(shù)各有特色，應(yīng)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(shù)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(fù)雜度、低成本等優(yōu)勢，正逐步被應(yīng)用到各種環(huán)境數(shù)據(jù)采集及無線傳輸當(dāng)中。

此外，因為協(xié)議遵從802.15.4國際標(biāo)準(zhǔn)，各個傳感器之間很容易進行組網(wǎng)，將有效數(shù)據(jù)以無線接力的方式，逐步傳遞到遠端監(jiān)控節(jié)點，實現(xiàn)了即使很低功耗也能進行可靠傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?/p>

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計的智能頭盔系統(tǒng)主要包括兩大部分，即礦下智能頭盔數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和地面控制中心，如圖1所示。

1.2.1 終端節(jié)點

終端節(jié)點主要表現(xiàn)形式為智能頭盔，內(nèi)部包含ZigBee無線控制器、溫濕度傳感器及瓦斯?jié)舛葯z測傳感器等。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器也是由ZigBee通信模塊組成，它的主要作用是組建網(wǎng)絡(luò)，通過掃描周圍的無線節(jié)點，選擇合適的參數(shù)，進行ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立。

1.2.3 路由轉(zhuǎn)接器

路由轉(zhuǎn)接器負責(zé)地面有線通信與地下無線通信的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接，由獨立的MCU控制器組成，它既可以將ZigBee獲取到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有線的方式，上傳到地面監(jiān)控中心，也可以將受到的控制命令通過串口通信的方式發(fā)送給ZigBee模塊，后者以無線數(shù)據(jù)方式發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，進行轉(zhuǎn)發(fā)。

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(jiān)控軟件，實時更新顯示各個終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，在有異常時，及時下發(fā)控制指令，進行危險報警通知。

2 硬件設(shè)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?jié)舛葌鞲衅鳌貪穸葌鞲衅?、無線收發(fā)模塊、語音播報模塊等。整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

圖2 整體硬件框圖

2.2 CC2430系統(tǒng)

CC2430是TI公司設(shè)計開發(fā)的一款ZigBee芯片，內(nèi)部集成無線通信協(xié)議棧，可以根據(jù)設(shè)計需要，在多種模式下靈活切換。它遵循802.15.4 ZigBee國際標(biāo)準(zhǔn)，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(xù)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(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器，這就使得該芯片很容易外接各類傳感器，進行數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集。它功耗低，很容易組建無線通信網(wǎng)絡(luò)，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(fā)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(wěn)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(shè)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(shè)計選用的溫濕度傳感器類型為SHT11，它是一種數(shù)字形式輸出、集成度很高的芯片，具有功耗較低、測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性強等優(yōu)點。該芯片內(nèi)部集成了I2C通信接口、信號調(diào)理放大、傳感器前端及模數(shù)轉(zhuǎn)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(huán)境檢測的要求。SHT11與MCU接口很簡單，只需要數(shù)據(jù)線DATA及時鐘線SCK即可。

2.5 瓦斯?jié)舛葌鞲衅?/h3>

瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯姆N類有很多，本文選用的MJC4/3.0L傳感器屬于熱效應(yīng)式類型，其內(nèi)部的檢測電阻會隨著瓦斯燃燒時釋放熱量的增加而發(fā)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?jié)舛瓤梢砸疠敵鲭妷?5～20 mV的電平變化，同時也可以不受灰塵及濕度等環(huán)境因素的影響。在本設(shè)計中，為了進一步提高瓦斯?jié)舛鹊臋z測準(zhǔn)確性，將傳感器輸出的毫伏級小信號經(jīng)過AD623差分放大，從而提高系統(tǒng)檢測的可靠性。

2.6 語音播報功能

在檢測到環(huán)境瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)、溫濕度檢測超標(biāo)時，需要進行語音播報提醒。本設(shè)計中的語音提醒模塊，主要是基于ISD4004進行設(shè)計，其內(nèi)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(shù)值存儲在內(nèi)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(xiàn)“瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)危險”“溫度過高危險”等語音提醒功能。

3 結(jié)束語

本文主要是基于當(dāng)前礦井作業(yè)時安全事故頻發(fā)的背景，提出了一種將多傳感器技術(shù)及無線通信技術(shù)融入到頭盔的設(shè)計方法，通過復(fù)用頭盔的電源，從而使頭盔實現(xiàn)智能化。在進行電路設(shè)計時，需要考慮整個系統(tǒng)的功耗設(shè)計、環(huán)境惡劣情況，選擇最優(yōu)的傳感器及無線通信方案。ZigBee無線通信技術(shù)，正是基于低功耗的傳感器網(wǎng)絡(luò)而研發(fā)設(shè)計，通過對礦井的數(shù)據(jù)采集，及時將實時數(shù)據(jù)發(fā)送到地面控制中心，完成了整個監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)測功能。此外，該系統(tǒng)還帶有語音播報功能，當(dāng)監(jiān)測到環(huán)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(zāi)難事故的發(fā)生。