一种矿工智能帽的设计及实现

摘 要： 将传统矿工帽集成为井下个人安全的一个移动管理平台，可最大限度地保护矿工的安全。采用MTK6235手机平台实现了传统矿工帽具备瓦斯浓度、温湿度的实时监测与报警，并通过广角夜视摄像头和VOIP通信实现了对矿工井下作业的视频监测和对讲指挥功能。该系统可与井上综合信息应用管理系统轻松对接，实现了对矿工安全综合系统的智能化。

关键词： 智能矿工帽； 移动管理平台； 瓦斯浓度浓度监测； VOIP通信

中图分类号： TN919?34； TP302 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）08?0084?02

由于煤矿安全事故的屡次发生，国家越来越重视对井下安全监测和管理，在井下安装了大量的针对甲烷、一氧化碳等气体的监测监控管理系统[1?2]，特别是目前针对矿山开采领域所推行综合信息应用管理系统，全面推进煤矿等危险矿山行业管理信息化、生产自动化、安全管理实时、远程化，这些对保证矿山安全生产和矿工的生命安全都有着十分重要的作用，也是煤炭高产、高效的重要保证。随着电子技术和无线通信技术的发展，以往只能固定使用相关监控设备可以升级到无线便携式的应用模式[3]，为矿山井下的安全监测应用提供了一个新的设计方案，本文中针对矿山工人的矿工帽做了全新设计，使之不再是只用来照明、保护头部安全的工具，而是有多种监测功能、拍照功能、VOIP对讲功能的个人安全综合系统。

1 矿工智能帽的实现原理

目前矿工帽主要作用是在于照明和安全防护，考虑到矿工帽作为井下作业的必备防护工具，可考虑在矿工帽上增加一些新功能特性，比如有毒气体的安全监测、工作环境温/湿度测试、以及现场工作环境图像的监测等[4?6]，这些功能可以集成在矿工帽上，与矿工灯一起附在矿工帽上，随着矿工在井下的活动范围变化，从而实时快速把相关信息传送到井上监控中心。由于矿工在井下的活动空间不是完全固定，所以采用传统控制设计模式显然存在比较大问题，比如系统只能采用电池供电，对于设备的电源功耗进行管理，需要一个智能电源管理系统，如果采用无线信息传输，一般都是采用ISM频段的WiFi，ZigBee等无线技术[7?8]，传统设计方法是搭积木一样的增加相关模块设计方案。该方案不但加大了系统的设计成本和系统复杂度，而且一定程度上还会影响系统可靠性和稳定性，为此笔者通过前期大量试验验证，确定采用通信行业成熟应用多年MTK手机模块6235作为系统核心控制模块，并充分利用了该模块的高集成度、丰富的功能特性实现了一种智能化的矿工安全帽。

2 矿工智能帽的实现方式

2.1 智能帽监测控制系统

基于MTK6235平台的P1322模块的尺寸只有40 mm×42 mm×3 mm，外形见图1，它采用将120个邮票引脚孔的外接扩展方式，使模块可以任意嵌入到用户应用方案中，基于该模块的智能帽监测系统总体方案如图1所示，由后台处理、瓦斯浓度监控、温湿度监控、摄像头等单元组成。

2.1.1 瓦斯浓度监控单元设计

瓦斯是威胁着矿工生命安全的主要杀手，矿井工作对“瓦斯”十分重视，井下安装瓦斯监控设备是井下安全必备条件之一[9?10]。故瓦斯监测是智能帽核心功能之一。为此采用MH?440V/D 红外气体传感器，这是集成化的通用型、智能型微型传感器，具有很好的选择性，无氧气依赖性，性能稳定、寿命长且内置了温度传感器，可进行温度补偿。

该传感器利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CH4进行探测，由此产生一个与甲烷含量成比例微弱信号，经过多级放大后产生一个输出信号，该信号通过串口的方式可以直接送后台处理，并按如下协议进行数据通信：波特率：9 600 b /s，8位数据，1位停止位，无校验位；每帧数据9个字节，0xFF开头，校验值结尾；校验值=（取反（DATA1+DATA2+…+DATA7））+1。

2.1.2 温湿度监控单元

温湿度监控单元中采用集成化的温湿度传感器AHT11和单片机STC89LE516AD，这是带有A/D的单片机，温度和湿度值经A/D变换即可得到相应数字信号被后台所识别。AHT11是一款湿敏电阻型传感器，具有检测精度高，对矿井高湿、闷热等特殊环境具有良好适应性。

2.1.3 摄像头单元设计

针对矿井光线较暗的环境，本方案中采用广角夜视摄像头OV7725，OV7725系低功耗高性能CMOS图像传感器，通过封装在很小的电路板上提供全功能单芯片VGA解决方案，通过一个摄像头串行控制总线（SCCB）接口，能输出多种图像格式，如全帧、子采样和开窗口的图像等，并通过采用Java编程，直接实现图像的采集。

2.2 智能帽VOIP通信的实现

矿井通信是煤矿生产指挥必备手段，煤矿作为多工序、工作点分散的生产企业，很难用通信方式和通信系统覆盖全矿井，所以按使用分为固定通信和移动通信方式，早期数字程控调度系统，已满足各种煤矿矿井调度通信主要需求，随着网络技术在矿井应用和IP语音通信不断发展完善，IP通信应用于矿井进入成熟发展期。本系统设计考虑通信需求，鉴于采取基于无线IP通信方式，采用VOIP通信就是顺理成章的事，见图2所示。

在图2中可以看到矿工智能帽通信原理及组成，它采用无线WiFi语音IP传输方式，将矿工帽注册到IPPBX，即实现井上调度与各智能帽点对点通话。

JAIN SIP实现SIP协议栈底层到SIP实体接口，利用Java面向对象特性，使用对象、消息以及事件来描述SIP协议，并为所有SIP报头和报文定义专门的类，通过（SipProvider/SipListener）接口，实现定义处理报文接口为事件，针对媒体流可以采用多种语音编码方式通话，在此采用RTP协议实现对音频数据的传输，如图3所示。

3 实际应用分析

基于上述设计，对矿工安全帽上进行了扩展应用，通过与一些矿务局合作，现已成功应用于这些矿务局煤矿，并取得了良好应用效果。

该设计方案具有系统稳定，功能丰富等特点，采用MTK手机平台可以使传统矿工帽具备瓦斯浓度、温湿度实时监测与报警，并通过摄像头和VOIP通信对矿工井下作业进行视频监测和对讲指挥，真正实现了对矿工安全综合系统智能化，对提升煤矿安全，减少煤矿事故，保障矿工人身安全起到十分积极的作用。

参考文献

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