專利名稱：多傳感器融合的智能頭盔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多傳感器融合的智能頭盔，尤其是供煤礦井下使用的多傳感器融合的智能頭盔。
背景技術(shù)：
煤炭工業(yè)是工業(yè)生產(chǎn)各行業(yè)中自然條件差、危險(xiǎn)源多的行業(yè)，安全工作始終是煤炭企業(yè)面臨的最重要、最嚴(yán)峻的問題。盡管國家有關(guān)部門多次下發(fā)有關(guān)煤礦管理?xiàng)l例，但煤礦事故每年奪走數(shù)千煤礦工人的生命，造成數(shù)以億計(jì)的財(cái)產(chǎn)損失，不僅損害人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)和切身利益，也制約著煤炭工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定和國家形象都產(chǎn)生了負(fù)面影響。目前我國煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻，突出問題有瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，爆炸事故多發(fā)。我國煤礦露天開采比重小，井工開采比重大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，約半數(shù)的煤礦為高瓦斯、“高突” 礦井；技術(shù)裝備落后，機(jī)械化程度低，很大一部分煤礦處于原始的開采方式，安全生產(chǎn)沒有保證；安全檢測(cè)技術(shù)十分落后，井下安檢設(shè)備缺乏、安全管理制度不完善、安全監(jiān)控成本高、 資金投入嚴(yán)重不足、搶災(zāi)能力低下。瓦斯、火災(zāi)、透水等各種安全隱患在造成巨大損失的同時(shí)，更嚴(yán)重威脅著礦井作業(yè)工人的人身安全。對(duì)煤礦井下溫度、濕度、瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、粉塵濃度等進(jìn)行精確測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控是防止煤礦發(fā)生安全事故、確保人身安全和生產(chǎn)安全的重要措施。目前我國廣泛使用的礦用頭盔性能單一，僅能實(shí)現(xiàn)基本的保護(hù)功能。公告號(hào)為 CN2798644Y的中國實(shí)用新型專利文獻(xiàn)提出一種多功能礦用安全帽，在帽體周圍安裝了氣體報(bào)警器和求救信號(hào)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了遇有危險(xiǎn)氣體蜂鳴報(bào)警提示和求救信號(hào)發(fā)射等功能。公告號(hào)為CN2574446Y、C擬614480Y、C擬620333Y的中國實(shí)用新型專利文獻(xiàn)也分別提出了類似的改進(jìn)。但是這種應(yīng)用只涉及初步的危險(xiǎn)氣體檢測(cè)和井下實(shí)時(shí)報(bào)警功能，與井下通訊分站和地面監(jiān)控中心之間沒有數(shù)據(jù)交互，不能實(shí)現(xiàn)與其它監(jiān)控系統(tǒng)的一體化，而且不能實(shí)現(xiàn)礦工的定位，一旦發(fā)生安全事故，對(duì)搜救工作的幫助作用十分有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題就在于克服現(xiàn)有礦用頭盔功能單一、僅能實(shí)現(xiàn)照明和保護(hù)功能的不足，提供一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)井下環(huán)境參數(shù)并與地面監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的多傳感器融合的智能頭盔。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案所述智能頭盔包括頭盔本體和智能腰帶盒，其特征在于所述頭盔本體上設(shè)有多傳感器探頭、礦用攝像頭和液晶顯示屏，所述智能腰帶盒內(nèi)設(shè)有智能頭盔信息單元，所述智能頭盔信息單元包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、 數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊、無線通信模塊和電源模塊，所述智能頭盔信息單元與頭盔本體上的多傳感器探頭、礦用攝像頭、液晶顯示屏有線連接或無線連接。在采用上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可采用或組合采用以下進(jìn)一步的技術(shù)方案所述智能頭盔信息單元主要由四部分組成分別是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊、無線通信模塊、電源模塊；所述現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊與頭盔本體上的多傳感器探頭和礦用攝像頭有線連接，負(fù)責(zé)控制監(jiān)控區(qū)域內(nèi)信息的采集；所述數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊主要由數(shù)據(jù)處理子模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控子模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊所采集數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)、設(shè)置警戒值、驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏，并在檢測(cè)值超出設(shè)定警戒值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警；所述無線通信模塊負(fù)責(zé)與井下通訊分站進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到井下通訊分站；所述電源模塊負(fù)責(zé)為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊、無線通信模塊提供電源。所述多傳感器探頭包括的傳感器探頭為瓦斯?jié)舛葌鞲衅魈筋^、一氧化碳濃度傳感器探頭、粉塵濃度傳感器探頭、溫度傳感器探頭、濕度傳感器探頭或者上述五種傳感器探頭中的任意兩種、任意三種、任意四種的組合。所述無線通信模塊包括RFID射頻識(shí)別子模塊和藍(lán)牙子模塊兩部分；由多傳感器探頭采集并經(jīng)數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊處理后的數(shù)據(jù)，通過所述RFID射頻識(shí)別子模塊實(shí)時(shí)地發(fā)送到井下通訊分站；由礦用攝像頭采集的視頻信息先存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，在佩戴所述智能頭盔的井下人員移動(dòng)到與井下通訊分站的距離小于藍(lán)牙最大通訊距離時(shí)，啟用所述藍(lán)牙子模塊并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中所儲(chǔ)存的視頻信息采用藍(lán)牙通訊方式高速發(fā)送給井下通訊分站。所述無線通信模塊通過其射頻芯片自帶的接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI功能，對(duì)佩戴所述智能頭盔的井下人員進(jìn)行定位。所述頭盔本體上設(shè)有礦燈，所述智能腰帶盒內(nèi)設(shè)有礦燈電源單元，所述礦燈電源單元與所述礦燈有線連接，所述礦燈電源單元還與所述智能頭盔信息單元中的電源模塊有線連接。本發(fā)明在原來礦工安全帽單一礦燈照明功能的基礎(chǔ)上，裝配了探測(cè)瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、粉塵濃度、溫度、濕度的傳感器和礦用攝像頭，在不影響其照明功能的同時(shí)，能實(shí)時(shí)探測(cè)危險(xiǎn)氣體濃度、粉塵濃度以及溫濕度值，并對(duì)井下工作面的工況進(jìn)行視頻記錄。在探測(cè)到井下環(huán)境參數(shù)超出一定的范圍時(shí)自動(dòng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、存儲(chǔ)、 顯示與報(bào)警功能，并通過無線傳輸和光纜傳輸方式與地面監(jiān)控中心進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳遞數(shù)據(jù)并通報(bào)礦工實(shí)際位置。本發(fā)明的智能頭盔尤其適合煤礦井下使用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下作業(yè)環(huán)境的泛在感知和生產(chǎn)盲區(qū)的巡檢，為礦井安全生產(chǎn)提供有力的保障。


圖1為本發(fā)明的多傳感器融合的智能頭盔實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的智能頭盔信息單元的系統(tǒng)框圖。圖中標(biāo)號(hào)分別表示如下1、頭盔本體，2、礦燈，3、多傳感器探頭，4、液晶顯示屏， 5、礦用攝像頭，6、智能頭盔電源與信號(hào)線，7、礦燈電源線，8、智能腰帶盒，9、礦燈電源單元， 10、智能頭盔信息單元，11、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊，12、數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊，13、無線通信模塊， 14、電源模塊，15、井下人員腰帶，16、井下通訊分站，17、井下光纖網(wǎng)絡(luò)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。如附圖1所示，一種多傳感器融合的智能頭盔，包括頭盔本體1，還有固定在頭盔本體1上的礦燈2、多傳感器探頭3、液晶顯示屏4、礦用攝像頭5。礦燈2通過礦燈電源線 7與礦燈電源單元9相連接。多傳感器探頭3、液晶顯示屏4和礦用攝像頭5通過智能頭盔電源與信號(hào)線6與智能頭盔信息單元10相連接。智能頭盔信息單元10包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11、數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12、無線通信模塊13、電源模塊14，其中電源模塊14與礦燈電源單元9相連接。智能頭盔信息單元10與礦燈電源單元9安裝在一個(gè)智能腰帶盒8內(nèi)，并可固定在井下人員腰帶15上。在頭盔本體1的左右側(cè)如圖所示區(qū)域分別固定有所述礦用攝像頭5與多傳感器探頭3。多傳感器探頭3安裝在管狀柵欄結(jié)構(gòu)中，便于保護(hù)傳感器探頭和適合空氣流通，使得傳感器探頭能夠較好地與井下氣體進(jìn)行接觸。礦用攝像頭5為大角度攝像頭，視角方向?yàn)榈V工的工作區(qū)域，最大限度地保證所拍攝視頻的有效性。液晶顯示屏4用于實(shí)時(shí)信息的顯示與報(bào)警，可以自由選擇固定在頭盔本體上，或者放置于眼睛側(cè)前方，以便隨時(shí)調(diào)整位置， 不妨礙觀察周圍環(huán)境，同時(shí)便于觀察傳感器的即時(shí)輸出值。為了最大限度地減小頭盔本體1需要增加的重量，由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11、數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12、無線通信模塊13和電源模塊14構(gòu)成的智能頭盔信息單元10，安裝在智能腰帶盒8的內(nèi)部，并通過智能頭盔電源與信號(hào)線6與設(shè)置在頭盔本體1上的多傳感器探頭3、液晶顯示屏4和礦用攝像頭5相連接。智能頭盔電源與信號(hào)線6與智能頭盔信息單元10的連接方式為可插拔式，當(dāng)不需要使用智能頭盔時(shí)，可以從智能頭盔信息單元10上拔出智能頭盔電源與信號(hào)線6，并盤繞固定在頭盔本體1附近，以方便攜帶。如附圖2所示，本發(fā)明的智能頭盔信息單元主要由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11、數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12、無線通信模塊13、電源模塊14組成?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11驅(qū)動(dòng)多傳感器探頭3與礦用攝像頭5，數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏4。多傳感器探頭3包括的傳感器探頭為瓦斯?jié)舛葌鞲衅魈筋^、一氧化碳濃度傳感器探頭、粉塵濃度傳感器探頭、溫度傳感器探頭、濕度傳感器探頭，經(jīng)過智能頭盔電源與信號(hào)線6與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11相連接，負(fù)責(zé)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)環(huán)境信息的采集?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊 11包括信號(hào)轉(zhuǎn)化調(diào)理電路，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換使之成為數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12能夠處理的信號(hào)。智能頭盔通過安裝在頭盔本體1上的多傳感器探頭3檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、粉塵濃度和溫濕度值，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11預(yù)處理后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12，數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)監(jiān)控子模塊和無線通信模塊13。數(shù)據(jù)監(jiān)控子模塊完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示以及超過設(shè)定警戒值時(shí)聲光報(bào)警功能。無線通信模塊13中的RFID射頻識(shí)別子模塊完成與井下通訊分站16之間的無線通信，傳遞數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12處理后的井下環(huán)境參數(shù)并通過井下光纖網(wǎng)絡(luò)17傳遞給地面監(jiān)控中心；同時(shí)地面監(jiān)控中心也可以通過井下光纖網(wǎng)絡(luò)17和井下通訊分站16由RFID射頻識(shí)別子模塊向井下工作人員傳遞命令。礦用攝像頭5為礦用隔爆本安型攝像頭，具有良好的拍攝精度，并且符合礦用設(shè)備本安性的要求?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11控制礦用攝像頭5的視頻采集工作，并將采集到數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)監(jiān)控處理模塊12，數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12完成對(duì)視頻信號(hào)的壓縮、編碼工作， 并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。在佩戴所述智能頭盔的井下人員移動(dòng)到與某一井下通訊分站16的距離小于藍(lán)牙最大通訊距離時(shí)，啟用所述藍(lán)牙子模塊并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中所儲(chǔ)存的視頻信息采用藍(lán)牙通訊方式高速發(fā)送給井下通訊分站16。數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12主要是將各個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)處理和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12包括數(shù)據(jù)處理子模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控子模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)處理子模塊首先完成初始化工作，初始化后進(jìn)入循環(huán)處理，在循環(huán)過程中主處理器獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊 11的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后數(shù)據(jù)監(jiān)控子模塊根據(jù)處理后的結(jié)果通過安裝在頭盔本體1上的液晶顯示屏4進(jìn)行顯示，當(dāng)結(jié)果超過警戒值時(shí)通過安裝在數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12上的聲光報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警。智能頭盔作為移動(dòng)傳感器和通信模塊載體，采集工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)與視頻信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12處理后發(fā)送給井下通訊分站16，井下通訊分站16再通過井下光纖網(wǎng)絡(luò)17將信息發(fā)送到地面監(jiān)控中心。下面簡(jiǎn)要介紹各個(gè)模塊以及多傳感器探頭。(1)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11與多傳感器探頭3:
現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11控制采集各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換使之成為數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12能夠處理的信號(hào)。主要變換電路是信號(hào)放大電路、濾波電路等。多傳感器探頭 3負(fù)責(zé)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)環(huán)境信息的采集。兩者的工作是密不可分的。瓦斯檢測(cè)電路由瓦斯傳感器探頭、模擬放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器組成。瓦斯傳感器探頭的檢測(cè)采用載體催化原理，主要電路為由催化元件、補(bǔ)償元件、高穩(wěn)定電阻組成的惠斯登電橋。電橋在純空氣中保持平衡，當(dāng)遇到含瓦斯氣體的空氣時(shí)，催化元件產(chǎn)生催化反應(yīng) (無焰燃燒)，溫度增高，阻值變化，電橋失去平衡，輸出電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)放大和A/D 轉(zhuǎn)換后被單片機(jī)接收。采用LM3M放大器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，應(yīng)選用合適的匹配電阻，控制放大倍數(shù)在20倍左右，以避免因放大倍數(shù)過大而造成A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值無法被單片機(jī)處理。A/D轉(zhuǎn)換由單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換接口完成，省去了 A/D轉(zhuǎn)換模塊，減少了外圍電路，提高了系統(tǒng)集成度。 一氧化碳檢測(cè)傳感器探頭采用廣泛使用的定電位電解式傳感器探頭。定電位電化學(xué)傳感器探頭是由工作電極W、對(duì)電極C和參比電極R三電極組成，是由疏水性強(qiáng)的透氣膜和導(dǎo)電性好的催化膜組成的。工作電極用來進(jìn)行待測(cè)氣體的氧化或還原反應(yīng)，這個(gè)電極允許氣體進(jìn)入并與催化劑和電解液接觸反應(yīng)，出現(xiàn)氣、液、固三種狀態(tài)。工作電極是發(fā)生電化學(xué)氧化或還原的表面，工作時(shí)，在催化劑的作用下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的電容，一般50-200mF， 所以對(duì)電磁干擾較敏感。 對(duì)電極用來平衡工作電極的反應(yīng)。如果工作電極氧化氣體，則對(duì)電極必須產(chǎn)生其他分子去對(duì)等電流。當(dāng)CO在工作電極氧化時(shí)，氧在對(duì)電極被消耗。氧化還原反應(yīng)為 工作電極(陽極) CCHH2O — CO2 +2H++2e 對(duì)電極(陰極)l/202+2H++& — H2O
CO濃度越大，對(duì)電極消耗的氧越多。與工作電極不同，對(duì)電極的電位則允許變化。當(dāng) CO濃度很低時(shí)，對(duì)電極電位接近工作電極電位。當(dāng)對(duì)電極電流增加時(shí)，電位也增加，所以恒電位電路的作用是確保給對(duì)電極提供足夠的電流并處于合適的電位。在氣體濃度較低時(shí)， 工作電極產(chǎn)生的電流較小，這時(shí)對(duì)電極消耗少量的氧來保持平衡。但如果含氧量不足，則會(huì)產(chǎn)生其他物質(zhì)，可能還會(huì)產(chǎn)生氫。所以，使用時(shí)必須保證氧能有效輸入到對(duì)電極，這對(duì)結(jié)構(gòu)有較高的要求。粉塵濃度傳感器探頭采用PPD4NS粉塵傳感器探頭，該探頭符合礦井防爆本安的要求，感知微米以上的粉塵，以檢測(cè)單位體積內(nèi)粉塵粒子的絕對(duì)個(gè)數(shù)。計(jì)算數(shù)據(jù)端口輸出脈沖中低電平的占空比即可得到粉塵濃度。溫度傳感器探頭、濕度傳感器探頭可以由單獨(dú)的溫度傳感器探頭和濕度傳感器探頭組成，也可采用是集成在一起的。SHT15溫濕度傳感器探頭將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)。傳感器探頭默認(rèn)測(cè)量分辨率為溫度14 位，濕度12位。可以通過給狀態(tài)寄存器發(fā)送命令將其降低為溫度12位，濕度8位。數(shù)字信號(hào)直接輸入主處理器進(jìn)行處理?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11獲得瓦斯?jié)舛葌鞲衅魈筋^、一氧化碳濃度傳感器探頭、粉塵濃度傳感器探頭、溫度傳感器探頭和濕度傳感器探頭的數(shù)據(jù)。其中瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、粉塵濃度檢測(cè)是通過主處理器芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換來完成數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，采集的模擬參考電壓采用片內(nèi)的參考電壓。它們的數(shù)據(jù)采集的間隔時(shí)間通過定時(shí)器A來完成，就是在每次定時(shí)器A中斷到來時(shí)讀取A/D轉(zhuǎn)換采集得到的數(shù)據(jù)，在讀數(shù)據(jù)之前先停止A/D轉(zhuǎn)換，在讀取數(shù)據(jù)完畢后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。如果得到數(shù)據(jù)，則設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位通知主程序己經(jīng)得到新的數(shù)據(jù)。整個(gè)模塊采用的是中斷服務(wù)程序的結(jié)構(gòu)完成。溫度傳感器和濕度傳感器數(shù)據(jù)采集的間隔時(shí)間通過定時(shí)器B來完成，就是在每次定時(shí)器B中斷到來時(shí)讀取采集得到的數(shù)據(jù)，在讀數(shù)據(jù)之前先停止數(shù)據(jù)的采集，在讀取數(shù)據(jù)完畢后啟動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。如果得到數(shù)據(jù)，則設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位通知主程序己經(jīng)得到新的數(shù)據(jù)。 整個(gè)模塊采用的是中斷服務(wù)程序的結(jié)構(gòu)完成?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11還負(fù)責(zé)控制礦用攝像頭5采集視頻信號(hào)，當(dāng)打開礦用攝像頭 5的開關(guān)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11控制礦用攝像頭5以50幀/秒的速度采集信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)監(jiān)控處理模塊12。(2)數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12:
數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12主要是將各個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)處理和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12包括數(shù)據(jù)處理子模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控子模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12中的主處理器可以選用TI公司的MSP430系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)具有低電壓、低功耗，處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)與TI公司的射頻收發(fā)模塊CC2500 和藍(lán)牙芯片BRF6100有較好的結(jié)合應(yīng)用，非常適于應(yīng)用在井下防爆要求較高的場(chǎng)合。數(shù)據(jù)處理子模塊首先完成初始化工作，初始化后進(jìn)入循環(huán)處理，在循環(huán)過程中主處理器獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后數(shù)據(jù)監(jiān)控子模塊根據(jù)處理后的結(jié)果通過安裝在頭盔本體1上的液晶顯示屏4進(jìn)行顯示，當(dāng)結(jié)果超過警戒值時(shí)通過安裝在數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12上的聲光報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警。為了提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)傳輸效率，可以對(duì)各種數(shù)據(jù)采用中值濾波法處理，即每次取10個(gè)值，去除其中的最大值、最小值而取剩余8個(gè)轉(zhuǎn)換值的平均值，將平均值實(shí)時(shí)顯示并通過無線通信模塊13中的 RFID射頻識(shí)別子模塊發(fā)送到井下通訊分站16，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12同時(shí)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11傳輸過來的視頻信號(hào)的壓縮和編碼工作，壓縮編碼采用高保真的MPEG方式，并將處理后的視頻信號(hào)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12首先完成初始化工作，然后打開中斷等待定時(shí)器中斷的到來。在其后的循環(huán)過程中主處理器獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊11的數(shù)據(jù)，一方面將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，根據(jù)處理后的結(jié)果來進(jìn)行顯示和報(bào)警，另一方面將采集到的數(shù)據(jù)封裝后，通過無線通信模塊13中的RFID射頻識(shí)別子模塊和藍(lán)牙子模塊發(fā)送到井下通訊分站16。(3)無線通信模塊13:
無線通信模塊13把經(jīng)數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12處理的數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送到井下通訊分站16，井下通訊分站16通過井下光纖網(wǎng)絡(luò)17和地面監(jiān)控中心通信，并通過其射頻芯片自帶的接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI功能進(jìn)行定位。由于礦用攝像頭5采集的視頻信號(hào)信息量比較大，不能統(tǒng)一使用單一的無線通訊方式進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，故對(duì)多傳感器探頭3采集的環(huán)境參數(shù)信號(hào)和礦用攝像頭5采集的視頻信號(hào)分別進(jìn)行傳輸。由多傳感器探頭3采集并經(jīng)數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊處理后的數(shù)據(jù)，通過所述RFID射頻識(shí)別子模塊實(shí)時(shí)地發(fā)送到井下通訊分站16 ；由礦用攝像頭5采集的視頻信息先存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊12的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，在佩戴所述智能頭盔的井下人員移動(dòng)到與井下通訊分站的距離小于藍(lán)牙最大通訊距離時(shí)，啟用所述藍(lán)牙子模塊并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中所儲(chǔ)存的視頻信息采用藍(lán)牙通訊方式高速發(fā)送給井下通訊分站16。環(huán)境參數(shù)信號(hào)采用 RFID技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，以保證信息的實(shí)時(shí)性與精確性。視頻信號(hào)對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的可視化幫助較大，但實(shí)時(shí)性要求不高，故可以在礦工經(jīng)過井下通訊分站16時(shí)應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行高速傳輸。RFID射頻識(shí)別子模塊采用TI公司CC2500射頻收發(fā)器。CC2500射頻收發(fā)器是用于低功耗無線應(yīng)用的業(yè)界系統(tǒng)成本最低的多通道無線電產(chǎn)品。它的工作波段頻帶是2. 4GHz, 包括很多非常有用的數(shù)字功能，例如，整個(gè)數(shù)據(jù)包處理、FIFO緩沖器、空閑通道評(píng)估和無線電喚醒等等。它支持多種調(diào)制方式，包括FSK、GFSK、OOK和MSK，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá) 5001A/S。CC2500還為信息包處理、數(shù)據(jù)緩沖、脈沖傳送、空閑信道評(píng)估、連接品質(zhì)指示和電磁喚醒等功能提供了額外的硬件支持。它有四種主要的狀態(tài)接收(RX)、發(fā)送(TX)、空閑 (IDLE)和休眠(SLEEP)。有源標(biāo)簽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一是功耗，解決這一問題一般靠?jī)煞N途徑，一是選擇功耗低的元器件，CC2500在2501A/S的速率時(shí)，接收的電流消耗為13. 3mA，在業(yè)界來說已經(jīng)是非常低。另一種改善功耗的方法是利用科學(xué)的軟件實(shí)現(xiàn)，利用CC2500的電磁喚醒功能 W0R(ffake On Radio)可設(shè)計(jì)一種很好的解決方案。當(dāng)CC2500處于WOR運(yùn)行下的SLEEP狀態(tài)時(shí)，除了內(nèi)部實(shí)現(xiàn)喚醒功能的計(jì)數(shù)器工作，其他功能都已停止，此時(shí)CC2500的功耗僅為 900nA。當(dāng)計(jì)數(shù)器到達(dá)可編程的指定時(shí)間時(shí)，自動(dòng)從SLEEP狀態(tài)切換到IDEL狀態(tài)，再進(jìn)入RX 狀態(tài)。如果此時(shí)收到數(shù)據(jù)，就退出WOR進(jìn)入正常模式；如果處于Rx狀態(tài)在指定時(shí)間內(nèi)收不到數(shù)據(jù)，則自動(dòng)回到SLEEP狀態(tài)。因此只要保證在一個(gè)完整的WOR周期內(nèi)，標(biāo)簽絕大部分時(shí)間都處于SLEEP狀態(tài)，就可以大大降低標(biāo)簽的功耗。閱讀器開機(jī)復(fù)位后，在信道上持續(xù)地發(fā)送查詢命令，一旦收到標(biāo)簽的回復(fù)命令，進(jìn)入RX狀態(tài)接收數(shù)據(jù)。
標(biāo)簽在收到閱讀器的查詢命令后，首先進(jìn)行CCA (空閑信道評(píng)估)檢測(cè)，如果檢測(cè)結(jié)果是信道忙，則等待隨機(jī)時(shí)間后再進(jìn)行檢測(cè)；檢測(cè)結(jié)果是信道空閑，則進(jìn)入TX狀態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)包。CC2500 芯片自帶了接收信號(hào)強(qiáng)度指示 RSSI (Received Signal Strength Indicator)模塊。RSSI是通過接收到的信號(hào)強(qiáng)弱測(cè)定信號(hào)點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計(jì)算的一種定位技術(shù)。因此，可以通過接收信號(hào)的強(qiáng)度對(duì)智能頭盔與最近井下通訊分站16之間的距離進(jìn)行估計(jì)，從而可以實(shí)現(xiàn)人員定位功能，并把定位信息傳送給地面監(jiān)控中心。藍(lán)牙子模塊采用TI公司最近推出的遵循藍(lán)牙VI. 1標(biāo)準(zhǔn)的無線信號(hào)收發(fā)芯片BRF6100，BRF6100的主要特性有具有片內(nèi)數(shù)字無線處理器DRP (Digital Radio ft~OCeSSOr)、數(shù)控振蕩器，片內(nèi)射頻收發(fā)開關(guān)切換，內(nèi)置ARM7嵌入式處理器等。BRF6100接收信號(hào)時(shí)，收發(fā)開關(guān)置為收狀態(tài)，射頻信號(hào)從天線接收后，經(jīng)過藍(lán)牙收發(fā)器直接傳輸?shù)交鶐盘?hào)處理器?；鶐盘?hào)處理包括下變頻和采樣，BRF6100采用零中頻結(jié)構(gòu)。數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在RAM (容量為32KB)中，供ARM7處理器調(diào)用和處理，ARM7將處理后的數(shù)據(jù)從編碼接口輸出到其他設(shè)備，信號(hào)發(fā)過程是信號(hào)收的逆過程，此外，BRF6100還包括時(shí)鐘和電源管理模塊以及多個(gè)通用I/O 口，供不同的外設(shè)使用。BRF6100的主機(jī)接口可以提供雙工的通用串口，可以方便地和PC機(jī)的RS232通信，也可以和DSP的緩沖串口通信。(4)電源模塊14
電源模塊14通過輔助電路給各個(gè)模塊進(jìn)行供電以使其正常工作。各個(gè)模塊所用電壓都是不一樣的，瓦斯、CO傳感器工作電壓3V，粉塵傳感器工作電壓5V，溫濕度傳感器工作電壓2. 4 3. 3V，微處理器工作電壓2. 2 3. 6V，射頻收發(fā)模塊工作電壓1. 9 3. 6V?？梢钥闯?，工作電壓范圍都在3V附近，可以選擇3V的電源進(jìn)行供電，保持電壓穩(wěn)定，紋波小。 在初期的制作過程中，可以先不用礦燈電源單元供電，而直接選用兩節(jié)電池供電，可以采用 MCP1700低壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生3V的電壓。上述具體實(shí)施方式
用來解釋說明本發(fā)明，僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改、 等同替換、改進(jìn)等，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種多傳感器融合的智能頭盔，所述智能頭盔包括頭盔本體和智能腰帶盒，其特征在于所述頭盔本體上設(shè)有多傳感器探頭、礦用攝像頭和液晶顯示屏，所述智能腰帶盒內(nèi)設(shè)有智能頭盔信息單元，所述智能頭盔信息單元包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊、 無線通信模塊和電源模塊，所述智能頭盔信息單元與頭盔本體上的多傳感器探頭、礦用攝像頭、液晶顯示屏有線連接或無線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多傳感器融合的智能頭盔，其特征在于所述現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊與頭盔本體上的多傳感器探頭和礦用攝像頭有線連接，負(fù)責(zé)控制監(jiān)控區(qū)域內(nèi)信息的采集；所述數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊主要由數(shù)據(jù)處理子模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控子模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器構(gòu)成， 負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊所采集數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)、設(shè)置警戒值、驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏，并在檢測(cè)值超出設(shè)定警戒值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警；所述無線通信模塊負(fù)責(zé)與井下通訊分站進(jìn)行通信， 將數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到井下通訊分站；所述電源模塊負(fù)責(zé)為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊、無線通信模塊提供電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多傳感器融合的智能頭盔，其特征在于所述多傳感器探頭包括的傳感器探頭為瓦斯?jié)舛葌鞲衅魈筋^、一氧化碳濃度傳感器探頭、粉塵濃度傳感器探頭、溫度傳感器探頭、濕度傳感器探頭或者上述五種傳感器探頭中的任意兩種、任意三種、任意四種的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多傳感器融合的智能頭盔，其特征在于所述無線通信模塊包括RFID射頻識(shí)別子模塊和藍(lán)牙子模塊兩部分；由多傳感器探頭采集并經(jīng)數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊處理后的數(shù)據(jù)，通過所述RFID射頻識(shí)別子模塊實(shí)時(shí)地發(fā)送到井下通訊分站；由礦用攝像頭采集的視頻信息先存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，在佩戴所述智能頭盔的井下人員移動(dòng)到與井下通訊分站的距離小于藍(lán)牙最大通訊距離時(shí)，啟用所述藍(lán)牙子模塊并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中所儲(chǔ)存的視頻信息采用藍(lán)牙通訊方式高速發(fā)送給井下通訊分站。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多傳感器融合的智能頭盔，其特征在于所述無線通信模塊通過其射頻芯片自帶的接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI功能，對(duì)佩戴所述智能頭盔的井下人員進(jìn)行定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多傳感器融合的智能頭盔，其特征在于所述頭盔本體上設(shè)有礦燈，所述智能腰帶盒內(nèi)設(shè)有礦燈電源單元，所述礦燈電源單元與所述礦燈有線連接，所述礦燈電源單元還與所述智能頭盔信息單元中的電源模塊有線連接。
全文摘要
一種多傳感器融合的智能頭盔，由頭盔本體與智能腰帶盒組成，頭盔本體上設(shè)有礦燈、多傳感器探頭、礦用攝像頭和液晶顯示屏，智能腰帶盒內(nèi)設(shè)有礦燈電源單元和智能頭盔信息單元。智能頭盔信息單元由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理監(jiān)控模塊、無線通信模塊和電源模塊組成，并與頭盔本體上的多傳感器探頭、礦用攝像頭和液晶顯示屏連接，實(shí)時(shí)采集井下環(huán)境中的瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、粉塵濃度、溫度、濕度與視頻信號(hào)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示、報(bào)警和存儲(chǔ)，并可以通過無線通信模塊將處理后的數(shù)據(jù)通過RFID方式或藍(lán)牙方式發(fā)送到井下通訊分站，同時(shí)還可運(yùn)用無線通信模塊射頻芯片自帶的RSSI功能實(shí)現(xiàn)人員的定位。本發(fā)明的智能頭盔可供煤礦井下使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下作業(yè)環(huán)境的泛在感知和生產(chǎn)盲區(qū)的巡檢，為礦井安全生產(chǎn)提供有力的保障。
文檔編號(hào)A42B1/24GK102228319SQ20111013698
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者盧建剛, 孫優(yōu)賢, 徐正國, 楊江, 楊秦敏, 程鵬, 陳積明, 陳金水, 馬強(qiáng) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)