矿用智能安全头盔的设计

孔丽丽，易春求

(1.中国计量大学，浙江 杭州 310018；2.奥的斯机电有限公司，浙江 杭州 310019)

0 引 言

在我国经济迅猛发展的形势下，虽然我国煤矿安全生产状况得到了极大改善，但是生产事故却偶有发生。随着国家对工人安全管理的不断重视，煤矿行业都在信息化管理技术上不断探索创新[1]。一些大型国有煤矿企业实施了以有线工业以太网、无线传感网络或物联网为通信网络核心的煤矿综合自动化系统平台，该系统的使用在一定程度上提高了煤矿的安全管理水平[2]。煤矿物联网的建设主要围绕三个方面，即：①认识井下人员周围的安全环境，实现主动的安全；②认识矿山重大灾害风险，实现各类灾害事故的预报和预警；③认识矿山重大设备工作的健康状况，实现可预测的维护[3]。

安全头盔是井下人员不可缺少的防护装备。传统的头盔仅具有头部防护作用，无法对周围环境进行主动预测，更无法对工作人员是否正确佩戴进行监管。CHENG等[4]采用ZigBee网络设计安全头盔，ZigBee适合近距离传输，不适用较远的距离；石自辉[5]、黄抒艺[6]针对地面上电力行业作业场景而设计的智能安全帽，与地下矿井作业场景有较大差别。本文结合物联网、无线传感网络技术在煤矿行业的应用，所设计的智能安全头盔是煤矿物联网系统的一种智能终端。它可以实现矿工作业环境监测、井下人员定位、实时语音通信、脱帽声光报警等功能，并将这些信息通过无线网络传输至地面监控指挥中心。

1 矿用智能安全头盔的原理及功能

图1 智能安全头盔原理Fig.1 Principle diagram of intelligent safety helmet

基于物联网的智能安全头盔作为煤矿物联网平台的一种智能终端，集人员定位、智能考勤、语音通话、危险预警、照明灯光、无线传输等多种功能于一体，及时将数据通过无线通信传输至地面监控中心。地面监控中心将收集的收据进行有效分析，以提高工作和管理效率。智能安全头盔系统从功能上主要由工人生人员定位模块、环境信息采集模块、无线通信传输模块、佩戴异常预警、声光报警模块等五个模块组成，系统总体设计结构框架如图1所示。鉴于GPS在矿井复杂环境下无法使用，又对比RFID、ZigBee、Wifi、UWB四类室内无线定位技术，因RFID在成本、功耗、定位精度、有效传输距离等方面更具优势，最终确定工作人员定位模块采用RFID技术[7]。此外，RFID技术还可以实现人员考勤，进一步提高了人员管理效率。环境信息采集模块主要实现对矿区环境瓦斯浓度、一氧化碳浓度、温湿度等信息的采集。无线通信模块主要实现将人员定位信息和环境检测信息传输至地面监控中心。

2 智能安全头盔硬件设计

智能安全头盔硬件系统主要由微处理器最小系统、电源模块、有毒气体传感器、温湿度传感器、RFID定位单元、陀螺仪、声光报警装置、无线通信模块等组成，其硬件原理图如图2所示。

图2 智能安全头盔硬件原理Fig.2 Hardware principle diagram ofintelligent safety helmet

2.1 微处理器及外围电路设计

智能安全头盔系统的微处理器选用STM32F103，其主频达72 MHz，外设丰富，适应环境温度-40～85 ℃，满足设计需求[8]。 电源是整个系统的重要模块，系统采用体积小、容量高的锂电池供电。 根据系统各个模块需求，分别设计了3.3 V、5 V的稳压电路。

2.2 环境信息采集模块设计

1) 有毒气体检测单元。选用MQ2检测瓦斯浓度、MQ7检测一氧化碳浓度。MQ2、MQ7都属于MQ系列气体传感器，接口类型相同。 输出0～5 V模拟量电压信号。 STM32F103内部集成8路12-bit AD转换功能，因此只需将MQ2、MQ7与STM32F103的模拟量输入端口连接。 设定有毒气体上线阈值，当超出阈值时会发出声光报警以提示工作人员(图3)。

2) 温湿度检测单元。设计中选择的温湿度传感器型号为HTU21D，其具有超小的体积、更低的功耗，精度为±2%RH。与STM32F103之间为I2C总线接口方式。通信仅需两根线，分别为数据线SDA和时钟线SCL。为提高驱动能力，两根线分别通过10 Ω的上拉电阻接电源。

2.3 RFID定位模块设计

RFID定位系统主要由标签、阅读器、后台管理数据库三部分组成[9]。 RFID标签位于智能安全头盔上，阅读器分布在矿井中。 RFID标签电路的射频芯片选择TI公司的CC1101，其工作频率为433 MHz，低电流损耗，接收模式时电流仅为15.6 mA。CC1101与STM32F103之间采用SPI接口方式，接口方式示意图如图4所示。

2.4 佩戴异常预警模块设计

佩戴异常检测单元采用压力传感器，将压力应变片布置于头盔内部。通过检测压力的变化，来判断工作人员是否正确戴帽，当检测到违规佩戴，将会发出声光报警，同时将违规人员信息通过无线通信传输至地面监控指挥中心。主控制器STM32 F103通过12-bit模拟量输入口AI采集压力传感器数值。接口方式如图5所示。

2.5 无线通信模块设计

长距离无线通信模块选用SIM800C，它是一款GSM/GPRS模块，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输，尺寸小、重量轻，温度范围为-40～85 ℃，非常符合设计要求。SIM800C通过串口TXD、RXD与STM32F103通信，其接口方式见图6。SIM800C可插入标准尺寸SIM卡。

图3 环境信息采集模块接口Fig.3 Environment information acquisitionmodule interface

图4 RFID模块接口Fig.4 RFID module interface

图5 佩戴异常预警模块接口Fig.5 Wear abnormal warning module interface

图6 无线通信模块接口Fig.6 Wireless communication module interface

3 智能安全头盔软件设计

智能安全头盔智能终端是在ARM嵌入式硬件平台上开发的。依据每个任务的功能将模块划分为系统初始化、数据采集、无线接收和发送。数据采集部分主要包括定位数据、环境信息数据、佩戴检测数据等。软件设计的总体流程如图7所示。

3.1 有毒气体检测模块软件设计

有毒气体传感器MQ2和MQ7主要负责检测工作环境中有毒气体的浓度，并将数据通过无线通信传输至地面监控中心，当检测浓度超出预设的报警阈值时，会发出报警。该模块的软件流程见图8。同理，佩戴异常预警模块的软件流程与此相似。

图7 软件总流程图Fig.7 Overall software flow

图8 有毒气体检测模块软件流程图Fig.8 Software flow of toxic gas detection module

3.2 温湿度检测模块软件设计

微处理器通过I2C总线读取温湿度传感器的数据，采用主从工作方式，I2C总线读取数据的流程如图9所示。微处理器作为主机，湿度传感器作为从机。主机往总线上发送地址，从机寻址应答，主机收到应答信号后，两者之间的通信就建立起来，可以传送数据，如果主机产生结束信号后，数据传输终止。

3.3 无线通信模块软件设计

无线通信模块SIM800C采用AT指令与微处理器端进行通讯连接。使用AT指令进行语音通讯、数据及短信业务等方面的通信控制。AT指令使用“AT”作为开头，采用“回车符”作为指令结尾。AT指令发送之后，终端设备会很快做出应答。SIM800C所提供的常用AT见表1[10]。

图9 温湿度检测模块软件流程图Fig.9 Software flow of temperature humiditydetection module

表1 常用AT指令Table 1 Common AT instructions

4 智能安全头盔系统设计

4.1 智能安全头盔概念设计

基于4G物联网智能安全头盔作为煤矿物联网平台的一种智能终端，集人员定位、智能考勤、语音通话、危险预警、照明灯光、无线传输等多种功能于一体，本文对智能安全头盔外观结构进行了概念设计，如图10所示。硬件模块核心电路板装在头盔后面，照明灯、语音设备装在前面，佩戴异常检测压力传感器布置在头盔内部。

图10 智能安全头盔概念设计Fig.10 Concept design of intelligent safety helmet

4.2 智能安全头盔工作过程

打开电源开关，首先进入自检过程，自检过程完成后，将发送一条信息至地面监控中心，该信息包含传感器状态、定位数据等，之后，智能头盔系统进入佩戴监控状态。在佩戴监控状态下，如检测到佩戴异常，将发出语音报警，并发送信息至地面监控中心，正确佩戴后，系统方可进入正式监测状态。其后将定期发送监控数据至地面监控中心，如监测到异常，将发出声光报警。地面监控中心可实现对数据的采集、管理，并可以通过PC平台、手机APP等方式将信息呈现给地面管理人员。

5 结 语

煤矿生产安全一直是国家关注的重点工程，也吸引了很多大型煤矿企业在信息化管理上不断创新开发煤矿物理联网智能安全平台。针对目前矿井下工作人员存在的安全问题，本文结合物联网、无线传感网络在煤矿智能化领域的应用，设计了一种煤矿物联网终端智能安全头盔。该系统以STM32硬件平台为基础，融入了人员定位、环境信息采集、佩戴异常报警、无线传输、语音通话等功能，对系统的软硬件进行详细设计，并进行了安全头盔的系统概念设计。其功能满足煤矿安全要求，对提高矿区智能化安全管理有很好的促进作用，在煤矿智能化安全领域具有广阔的应用前景。