煤矿井下用安全监测智能头盔论文和设计-吴震

全文摘要

本实用新型公开了一种煤矿井下用安全监测智能头盔，其包括头盔本体，所述头盔本体的顶部设有向头盔本体内通风的通风装置，所述通风装置包括设置在所述外壳体顶部的呈环状的凸起，以及设置在所述凸起顶部的顶盖，所述凸起与顶盖扣合形成通风腔体，所述通风腔体内设有风机，所述顶盖上设有用于驱动所述风机工作的驱动器；所述头盔本体上还设有控制器以及与所述控制器连接的用于采集矿井下环境信息的环境信息采集模块、用于采集音视频信息的音视频模块、用于采集人员位置信息的人员定位模块和用于报警的声光报警模块，所述控制器用于获取所述根据所述环境信息、音视频信息和位置信息进行预处理后通过无线通信模块发送至路由节点。

主设计要求

1.一种煤矿井下用安全监测智能头盔，其特征在于，包括头盔本体，所述头盔本体的顶部设有向头盔本体内通风的通风装置，所述通风装置包括设置在所述头盔本体顶部中心的呈环状的凸起以及设置在所述凸起的上方的顶盖，所述凸起与顶盖扣合形成通风腔体，所述通风腔体内设有风机，所述顶盖上设有用于驱动所述风机工作的驱动器；所述头盔本体上还设有控制器以及与所述控制器连接的用于采集矿井下环境信息的环境信息采集模块、用于采集音视频信息的音视频模块、用于采集人员位置信息的人员定位模块和用于报警的声光报警模块，所述控制器分别与所述境信息采集模块、音视频模块、人员定位模块和声光报警模块连接的用于获取根据所述环境信息、音视频信息和位置信息进行预处理后通过无线通信模块发送至路由节点；所述环境信息采集模块包括温度传感组件、瓦斯浓度传感组件、一氧化碳浓度传感组件、氧气浓度传感组件和煤尘浓度传感组件；所述温度传感组件包括与所述控制器连接的温度传感器；所述瓦斯浓度传感组件包括瓦斯浓度传感器，所述瓦斯浓度传感器通过第一放大模块与所述控制器连接；所述一氧化碳浓度传感组件包括一氧化碳浓度传感器U1，所述一氧化碳浓度传感器U1通过第二放大模块与所述控制器连接；所述氧气浓度传感组件包括氧气浓度传感器，所述氧气浓度传感器通过第三放大模块与所述控制器连接；所述煤尘浓度传感组件包括与所述控制器连接的煤尘浓度传感器；所述人员定位模块包括安装在头盔本体上的与布置在矿井内的RFID电子标签相配合的RFID读写器，所述RFID读写器与所述控制器连接。

设计方案

所述头盔本体上还设有控制器以及与所述控制器连接的用于采集矿井下环境信息的环境信息采集模块、用于采集音视频信息的音视频模块、用于采集人员位置信息的人员定位模块和用于报警的声光报警模块，所述控制器分别与所述境信息采集模块、音视频模块、人员定位模块和声光报警模块连接的用于获取根据所述环境信息、音视频信息和位置信息进行预处理后通过无线通信模块发送至路由节点；

所述环境信息采集模块包括温度传感组件、瓦斯浓度传感组件、一氧化碳浓度传感组件、氧气浓度传感组件和煤尘浓度传感组件；所述温度传感组件包括与所述控制器连接的温度传感器；所述瓦斯浓度传感组件包括瓦斯浓度传感器，所述瓦斯浓度传感器通过第一放大模块与所述控制器连接；所述一氧化碳浓度传感组件包括一氧化碳浓度传感器U1，所述一氧化碳浓度传感器U1通过第二放大模块与所述控制器连接；所述氧气浓度传感组件包括氧气浓度传感器，所述氧气浓度传感器通过第三放大模块与所述控制器连接；所述煤尘浓度传感组件包括与所述控制器连接的煤尘浓度传感器；

所述人员定位模块包括安装在头盔本体上的与布置在矿井内的RFID电子标签相配合的RFID读写器，所述RFID读写器与所述控制器连接。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下用安全监测智能头盔，其特征在于，所述温度传感器为DS18B20温度传感器。

3.根据权利要求2所述的煤矿井下用安全监测智能头盔，其特征在于，所述瓦斯浓度传感器为MJC4\/3.0L瓦斯浓度传感器；所述第一放大模块包括AD623放大器，所述AD623放大器的1脚与8脚之间连接有滑动变阻器R4，AD623放大器的2脚通过第二电阻R2与瓦斯浓度传感器的1脚连接，AD623放大器的2脚通过第三电阻R3与瓦斯浓度传感器的4脚连接，AD623放大器的3脚分别与瓦斯浓度传感器的2脚和3脚连接，AD623放大器的4脚和5脚接地，AD623放大器的6脚与控制器连接并通过第二电容C3接地，AD623放大器的7脚与供电电源连接并通过第一电容C1接地。

4.根据权利要求3所述的煤矿井下用安全监测智能头盔，其特征在于，所述一氧化碳浓度传感器U1为ME4-CO型定电位电化学传感器，所述第二放大模块包括第一MCP607放大器U2和第二MCP607放大器U3，第一MCP607放大器U2的2脚通过串联的第六电阻R6和第五电阻R5与一氧化碳浓度传感器U1的3脚连接，所述第一MCP607放大器U2的3脚通过第七电阻接地，第一MCP607放大器U2的4脚接负电源并通过第四电容R4接地，第一MCP607放大器U2的8脚接正电源并通过第六电容C6接地，第一MCP607放大器U2的1脚与一氧化碳浓度传感器U1的3脚之间的节点与第六电阻R6和第五电阻R5之间的节点之间连接有第三电容C3；第二MCP607放大器U3的1脚与一氧化碳浓度传感器U1的3脚连接；所述第二MCP607放大器U3的6脚通过第八电阻R8与一氧化碳浓度传感器U1的1脚连接，第二MCP607放大器U3的5脚通过第十二电阻R12接地，第二MCP607放大器U3的7脚通过第十三电阻R13与控制器连接并通过第七电容C7接地，第二MCP607放大器U3的6脚与7脚之间连接有并联连接的第九电阻R9和第五电容C5，所述一氧化碳浓度传感器U1的1脚和2脚之间连接有一晶体管Q1，所述晶体管的栅极与供电电源连接。

5.根据权利要求4所述的煤矿井下用安全监测智能头盔，其特征在于，所述氧气浓度传感器为O2-A2型电化学传感器，所述第三放大模块包括

第一OP2177放大器U4和第二OP2177放大器U5，所述第一OP2177放大器U4的2 脚通过第十四电阻R14接地，第一OP2177放大器U4的2脚与1脚之间连接有第十五电阻R15，第一OP2177放大器U4的3脚通过第十六电阻R16与氧气浓度传感器连接并通过第十七电阻R17接地，第一OP2177放大器U4的1脚通过第十八电阻R18与第二OP2177放大器U5的3脚连接，第二OP2177放大器U5的2脚与1脚之间连接有第二十电阻R20并通过第十九电阻R19接地，第二OP2177放大器U5的1脚同时通过第七电容C7接地，第二OP2177放大器U5的1脚与控制器连接并通过第一二极管D1接地。

6.根据权利要求5所述的煤矿井下用安全监测智能头盔，其特征在于，所述煤尘浓度传感器为GCG1000粉尘浓度传感器。

7.根据权利要求6所述的煤矿井下用安全监测智能头盔，其特征在于，所述音视频模块包括分别与控制器连接的视频采集单元和音频通信单元；音视频模块包括Z-3512型免驱USB摄像头，所述音频通信单元为UDA1341TS数字音频输入输出接口芯片。

8.根据权利要求7所述的煤矿井下用安全监测智能头盔，其特征在于，所述无线通信模块为WiFi模块。

9.根据权利要求8所述的煤矿井下用安全监测智能头盔，其特征在于，所述控制器为S3C2440芯片。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种煤矿井下用安全监测智能头盔。

背景技术

能源是经济社会发展的基础，同时也是影响经济社会发展的主要因素。煤炭是我国主要能源，约占一次能源的70％。根据《BP世界能源统计年鉴》(2015中文版)统计结果，截止2014年底，我国煤炭探明总量为1145亿吨，占世界煤炭探明总量的12.8％，储产比为30，消费量占世界煤炭消费总量的50.6％；我国原油探明总量为185亿桶，占世界原油探明总量的1.1％，储产比为11.9，消费量占世界原油消费总量的12.4％；我国天然气探明总量为3.5万亿立方米，占世界天然气探明总量的1.8％，储产比25.7，消费量占世界天然气消费总量的5.4％。因此，基于资源禀赋，在我国，当前以及今后相当长的一段时间内煤炭作为我国主体能源的地位不会改变。

我国煤炭资源的分布情况非常特殊，资料显示我国95％的煤炭开采属于井工开采，矿井深度大，井下自然环境恶劣，而且我国的煤矿都是瓦斯矿，其煤层瓦斯含量大、透气性低、地质结构复杂，这些因素导致我国煤炭开采难度较大，易发生事故。2014年4月21日云南省曲靖市一煤矿发生瓦斯爆炸事故共造成14人遇难；2015年12月16日黑龙江省鹤岗市一煤矿发生瓦斯爆炸和火灾事故共造成19名矿工死亡；2016年12月3日内蒙古自治区赤峰市发生一起煤矿井下瓦斯爆炸事故共造成32人遇难等等。这一系列事故不仅严重威胁了我国煤矿工人的生命安全，也严重威胁了我国煤炭行业的健康可持续发展。国家《“十三五”规划纲要》明确提出要深入推进能源革命，着力推动能源生产利用方式变革，推进大型煤炭基地绿色化开采和改造，建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系，维护国家能源安全。因此，基于我国煤炭开采现状和国家发展规划纲要，我国煤矿必须做好井下安全监测工作，大幅减少瓦斯爆炸等煤矿事故的发生。

目前我国很多煤矿的安全监测水平还比较低，不仅缺乏有效的煤矿安全事故预警手段，而且很多矿井只有有线监测方式，这就难免存在矿工难以及时了解周围的环境信息、监测传感器的布置难以跟上采掘工作面的推进等诸多问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种煤矿井下用安全监测智能头盔，以解决目前矿井安全事故预警手段不能及时对矿井下作业人员周围的环境进行监测的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种煤矿井下用安全监测智能头盔，包括头盔本体，所述头盔本体的顶部设有向头盔本体内通风的通风装置，所述通风装置包括设置在所述头盔本体顶部中心的开口，所述开口处设有呈环状的向上突起的凸起，所述凸起的上方设有顶盖，所述凸起与顶盖扣合形成通风腔体，所述通风腔体内设有风机，所述顶盖上设有用于驱动所述风机工作的驱动器；

所述头盔本体上还设有控制器以及与所述控制器连接的用于采集矿井下环境信息的环境信息采集模块、用于采集音视频信息的音视频模块、用于采集人员位置信息的人员定位模块和用于报警的声光报警模块，所述控制器分别与所述境信息采集模块、音视频模块、人员定位模块和声光报警模块连接的用于获取所述根据所述环境信息、音视频信息和位置信息进行预处理后通过无线通信模块发送至路由节点；

所述人员定位模块包括安装在头盔本体上的与布置在矿井内的RFID电子标签相配合的RFID读写器，所述RFID读写器与所述控制器连接。

进一步地，所述温度传感器为DS18B20温度传感器。

进一步地，所述瓦斯浓度传感器为MJC4\/3.0L瓦斯浓度传感器；所述第一放大模块包括AD623放大器，所述AD623放大器的1脚与8脚之间连接有滑动变阻器R4，AD623放大器的2脚通过第二电阻R2与瓦斯浓度传感器的1脚连接，AD623放大器的2脚通过第三电阻R3与瓦斯浓度传感器的4脚连接，AD623放大器的3脚分别与瓦斯浓度传感器的2脚和3脚连接，AD623放大器的4脚和5脚接地，AD623放大器的6脚与控制器连接并通过第二电容C3接地，AD623放大器的7脚与供电电源连接并通过第一电容C1接地。

进一步地，所述一氧化碳浓度传感器U1为ME4-CO型定电位电化学传感器，所述第二放大模块包括第一MCP607放大器U2和第二MCP607放大器U3，第一MCP607放大器U2的2脚通过串联的第六电阻R6和第五电阻R5与一氧化碳浓度传感器U1的3脚连接，所述第一MCP607放大器U2的3脚通过第七电阻接地，第一MCP607放大器U2的4脚接负电源并通过第四电容R4接地，第一MCP607放大器U2的8脚接正电源并通过第六电容C6接地，第一MCP607放大器U2的1脚与一氧化碳浓度传感器U1的3脚之间的节点与第六电阻R6和第五电阻R5之间的节点之间连接有第三电容C3；第二MCP607放大器U3的1脚与一氧化碳浓度传感器U1的3脚连接；所述第二MCP607放大器U3的6脚通过第八电阻R8与一氧化碳浓度传感器U1的1脚连接，第二MCP607放大器U3的5脚通过第十二电阻R12接地，第二MCP607放大器U3的7脚通过第十三电阻R13与控制器连接并通过第七电容C7接地，第二MCP607放大器U3的6脚与7脚之间连接有并联连接的第九电阻R9和第五电容C5，所述一氧化碳浓度传感器U1的1脚和2脚之间连接有一晶体管Q1，所述晶体管的栅极与供电电源连接。

进一步地，所述氧气浓度传感器为O2-A2型电化学传感器，所述第三放大模块包括第一OP2177放大器U4和第二OP2177放大器U5，所述第一OP2177放大器U4的2脚通过第十四电阻R14接地，第一OP2177放大器U4的2脚与1脚之间连接有第十五电阻R15，第一OP2177放大器U4的3脚通过第十六电阻R16与氧气浓度传感器连接并通过第十七电阻R17接地，第一OP2177放大器U4的1脚通过第十八电阻R18与第二OP2177放大器U5的3脚连接，第二OP2177放大器U5的2脚与1脚之间连接有第二十电阻R20并通过第十九电阻R19接地，第二OP2177放大器U5的1脚同时通过第七电容C7接地，第二OP2177放大器U5的1脚与控制器连接并通过第一二极管D1接地。

进一步地，所述煤尘浓度传感器为GCG1000粉尘浓度传感器。

进一步地，所述音视频模块包括分别与控制器连接的视频采集单元和音频通信单元；音视频模块包括Z-3512型免驱USB摄像头，所述音频通信单元为UDA1341TS数字音频输入输出接口芯片。

进一步地，所述无线通信模块为WiFi模块。

进一步地，所述控制器为S3C2440芯片。

本实用新型的有益效果为：本实用新型通过将控制器模块、无线通信模块、环境信息采集模块、人员定位模块、音视频模块和声光报警模块集成在矿工安全头盔本体上，以现有无线通信技术、传感器技术、嵌入式技术、井下人员定位技术、数据分析技术等为基础，实现井下人员定位、矿工作业环境信息监测、实时语音通信、远程视频监测、声光报警等功能，再通过现有监测软件实现对监测数据存储、显示、处理等功能，以层次分析法和模糊综合判定法为理论依托，在数据处理中实现瓦斯预警。并且，本请通过将矿井下采集到的数据通过无线通信模块传送至路由器节点，避免了因有线通信模块不便于移动带来的局限性。此外，在工作过程中还可已通过设置在头盔本体顶部的通风装置相头盔本体的内部通风散热，提高佩戴者的舒适度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型一个实施例的结构示意图。

图2为本实用新型一个实施例的结构框图。

图3为本实用新型一个实施例的S3C2440处理器内部结构图。

图4为本实用新型一个实施例的温度传感组件电路原理图。

图5为本实用新型一个实施例的瓦斯浓度传感组件电路原理图。

图6为本实用新型一个实施例的一氧化碳浓度传感组件电路原理图。

图7为本实用新型一个实施例的氧气浓度传感组件电路原理图。

图8为本实用新型一个实施例的煤尘浓度传感组件电路原理图。

图9为本实用新型一个实施例的音频输入输出电路原理图。

图10为本实用新型一个实施例的圆周定位原理图。

图11为本实用新型一个实施例的WiFi模块电路原理图。

图12为本实用新型一个实施例的声光报警模块电路原理图。

其中，1、头盔本体；11、环境信息采集模块；12、人员定位模块；13、音视频模块；14、声光报警模块；15、主控制电路；2、帽沿；3、第一限位孔；4、凸起；5、风机；6、顶盖；61、第二限位孔；7、驱动器。

具体实施方式

一种煤矿井下用安全监测智能头盔，包括头盔本体1，如图1所示，所述头盔本体1的顶部设有向头盔本体1内通风的通风装置，所述通风装置包括设置在所述头盔本体顶部中心的开口，所述开口处设有呈环状的凸起4，所述凸起4的上方设有顶盖6，所述凸起4与顶盖6扣合形成通风腔体，所述通风腔体内设有风机5，所述顶盖6上设有用于驱动所述风机5工作的驱动器7(电机)，在使用过程中可通过蓄电池为驱动器供电，头盔本体1和顶盖6上分别设有相互配合的第一限位孔和第二限位孔，头盔本体1和顶盖6可通过螺钉连接。

所述头盔本体1上还设有控制器以及与所述控制器连接的用于采集矿井下环境信息的环境信息采集模块11、用于采集音视频信息的音视频模块13、用于采集人员位置信息的人员定位模块12和用于报警的声光报警模块14，所述控制器分别与所述境信息采集模块、音视频模块13、人员定位模块12和声光报警模块14连接的用于获取所述根据所述环境信息、音视频信息和位置信息进行预处理后通过无线通信模块发送至路由节点。

本实用新型通过将控制器模块、无线通信模块、环境信息采集模块11、人员定位模块12、音视频模块13和声光报警模块14集成在矿工安全头盔本体上，以现有无线通信技术、传感器技术、嵌入式技术、井下人员定位技术、数据分析技术等为基础，实现井下人员定位、矿工作业环境信息监测、实时语音通信、远程视频监测、声光报警等功能，再通过现有监测软件实现对监测数据存储、显示、处理等功能，以层次分析法和模糊综合判定法为理论依托，在数据处理中实现瓦斯预警。并且，本请通过将矿井下采集到的数据通过无线通信模块传送至路由器节点，避免了因有线通信模块不便于移动带来的局限性。

所述控制器可采用S3C2440芯片，S3C2440是SANSUNG公司推出的一款功能强大、功耗较低的基于ARM920T为核心的嵌入式处理器。它满足了小型手持设备和普通应用要求的低功耗和高性能需求，是一种实用的小型芯片微控制器。它满足了小型手持设备和普通应用要求的低功耗和高性能需求，是一种实用的小型芯片微控制器。

S3C2440开发板提供了4通道的DMA有外部请求引脚、3通道的UART、2通道的SPI、1通道的IIC总线请求接口和1通道的IIS总线音频编码器接口，并且该开发板也提供了摄像头接口。它还具有AC97编码器接口，兼容了SD主接口协议和MMC卡协议，有两个USB接口，分别是USB主机、1通道USB设备用来控制内部数据和烧写程序，有8通道10位ADC、4通道PWM定时器、1通道内部定时器等，支持很多应用类型的程序移植。此外，其芯片共有130个通用I\/O口、24通道外部中断源和PLL片上时钟发生器，与传统的单片机结构很相似。本系统所使用的S3C2440处理器内部结构如图3所示。

所述环境信息采集模块11包括温度传感组件、瓦斯浓度传感组件、一氧化碳浓度传感组件、氧气浓度传感组件和煤尘浓度传感组件；所述温度传感组件包括与所述控制器连接的温度传感器；所述瓦斯浓度传感组件包括瓦斯浓度传感器，所述瓦斯浓度传感器通过第一放大模块与所述控制器连接；所述一氧化碳浓度传感组件包括一氧化碳浓度传感器U1，所述一氧化碳浓度传感器U1通过第二放大模块与所述控制器连接；所述氧气浓度传感组件包括氧气浓度传感器，所述氧气浓度传感器通过第三放大模块与所述控制器连接；所述煤尘浓度传感组件包括与所述控制器连接的煤尘浓度传感器。

所述温度传感器为DS18B20温度传感器。其特点是一根总线传输指令和数据，仅在此总线上就可以完成与控制器的双向通信。它可以测量-50℃～+120℃的温度范围，最小的温度分辨率是0.5℃，工作电压是3～5V\/DV，工作时不需要外接任何元件，测量的输出结果以9～12位数字量表示。DS18B20温度传感器和S3C2440控制器具体电路原理图如图4所示。

所述瓦斯浓度传感器为MJC4\/3.0L瓦斯浓度传感器。基于瓦斯气体在传感器中催化燃烧的原理，MJC4\/3.0L由检测元件和补偿元件组成，俗称“黑白元件”。它具有响应速度快、工作稳定可靠、输出电压线性化等特点。由于MJC4\/3.OL瓦斯传感器的输出电压信号是模拟量，并且是毫伏级的电压信号，它必须经过放大电路和A\/D转换后才能连接到S3C2440控制器，为了提高系统的精度，放大器应该选择具有差动输入，且性能比较稳定的器件。本申请选用ANALOG DEVICES公司生产的AD623放大芯片，第一放大模块具体为：所述第一放大模块包括AD623放大器，所述AD623放大器的1脚与8脚之间连接有滑动变阻器R4，AD623放大器的2脚通过第二电阻R2与瓦斯浓度传感器的1脚连接，AD623放大器的2脚通过第三电阻R3与瓦斯浓度传感器的4脚连接，AD623放大器的3脚分别与瓦斯浓度传感器的2脚和3脚连接，AD623放大器的4脚和5脚接地，AD623放大器的6脚与控制器连接并通过第二电容C3接地，AD623放大器的7脚与供电电源连接并通过第一电容C1接地。电路原理图如图5所示。

所述一氧化碳浓度传感器U1为ME4-CO型定电位电化学传感器。传感器具有低功耗，精度高，灵敏度高，抗干扰能力强，线性范围宽等特点，适用于井下特殊环境。其工作原理是CO和分别在传感器工作电极和对电极上发生相应的氧化还原反应并释放电荷形成电流，产生的电流大小与CO浓度成正比并遵循法拉第定律，通过测试电流大小即可判定CO浓度的高低。ME4-CO传感器为三电极元件，引脚W为工作电极，C为对电极，R为提供恒定电位。

由于传感器输出电流为μA级微小信号，极易受外部噪声干扰，所以需要采用可靠的低飘移放大电路进行信号放大。上述第二放大模块包括第一MCP607放大器U2和第二MCP607放大器U3，第一MCP607放大器U2的2脚通过串联的第六电阻R6和第五电阻R5与一氧化碳浓度传感器U1的3脚连接，所述第一MCP607放大器U2的3脚通过第七电阻接地，第一MCP607放大器U2的4脚接负电源并通过第四电容R4接地，第一MCP607放大器U2的8脚接正电源并通过第六电容C6接地，第一MCP607放大器U2的1脚与一氧化碳浓度传感器U1的3脚之间的节点与第六电阻R6和第五电阻R5之间的节点之间连接有第三电容C3；第二MCP607放大器U3的1脚与一氧化碳浓度传感器U1的3脚连接；所述第二MCP607放大器U3的6脚通过第八电阻R8与一氧化碳浓度传感器U1的1脚连接，第二MCP607放大器U3的5脚通过第十二电阻R12接地，第二MCP607放大器U3的7脚通过第十三电阻R13与控制器连接并通过第七电容C7接地，第二MCP607放大器U3的6脚与7脚之间连接有并联连接的第九电阻R9和第五电容C5，所述一氧化碳浓度传感器U1的1脚和2脚之间连接有一晶体管Q1，所述晶体管的栅极与供电电源连接。电路原理图如图6所示.

所述氧气浓度传感器为O2-A2型电化学传感器。本申请采用的氧气浓度传感器是英国Alphasense公司的O2-A2型电化学传感器，由于其性能优越，被广泛应用在煤矿，钢铁，石油化工，医疗等方面。

由于O2-A2氧气浓度传感器的输出为μA级微小电流信号，所以需要对传感器输出的微弱信号进行放大，上述第三放大模块包括第一OP2177放大器U4和第二OP2177放大器U5，所述第一OP2177放大器U4的2脚通过第十四电阻R14接地，第一OP2177放大器U4的2脚与1脚之间连接有第十五电阻R15，第一OP2177放大器U4的3脚通过第十六电阻R16与氧气浓度传感器连接并通过第十七电阻R17接地，第一OP2177放大器U4的1脚通过第十八电阻R18与第二OP2177放大器U5的3脚连接，第二OP2177放大器U5的2脚与1脚之间连接有第二十电阻R20并通过第十九电阻R19接地，第二OP2177放大器U5的1脚同时通过第七电容C7接地，第二OP2177放大器U5的1脚与控制器连接并通过第一二极管D1接地。电路原理图如图7所示

所述煤尘浓度传感器可采用天地自动化股份有限公司的粉尘浓度传感器GCG1000。其利用光散射原理检测煤矿井下空气中的粉尘浓度。此传感器性能优越被广泛应用在煤矿井下。

所述音视频模块13包括分别与控制器连接的视频采集单元和音频通信单元；音视频模块13包括Z-3512型免驱USB摄像头，它具有体积小、功耗低、清晰度高、色彩还原好等特点。视频采集模块接口采用USB接口直接与主控制器有关引脚相连，其引脚连接图如图8所示。USB-HOST为主控制器的USB端口。

所述音频通信单元为UDA1341TS数字音频输入输出接口芯片。其具有IIS接口，可以方便地同S3C2440控制器通信。硬件上麦克风和扬声器通过芯片UDA1341TS与控制器S3C2440相连组成语音模块。音频输入输出电路原理图如图9所示。

所述人员定位模块12包括安装在头盔本体上的与布置在矿井内的RFID电子标签相配合的RFID读写器，所述RFID读写器与所述控制器连接。通过RFID定位方法对智能头盔佩戴者进行人员定位。通过I\/O接口把RFID读写器与控制器S3C2440相连接，并把RFID电子标签合理地布置在矿井内，然后采用基于信号到达时间TOA(Time of Arrival)技术的测距方法测得智能头盔内RFID读写器到离它最近的三个RFID电子标签的距离，基于信号到达时间技术的测距方法测量精度很高。最后通过圆周定位原理推算出智能头盔佩戴者的位置，即以三个RFID电子标签坐标为圆心，以三个RFID电子标签到RFID读写器的距离为半径，画得3个圆，三个圆的交点坐标即为智能头盔佩戴者所处位置，如图10所示。

所述无线通信模块可采用WiFi模块，iFi模块选取Atheros AR9271为无线网卡，它负责将前端采集的数据信息发送到路由器节点。其主要特征如下：

(1)符合IEEE802.11b\/g\/n标准，最高可达到150Mbps传输速率；

(2)支持PSP、WII、NDS连接Internet及XlinkKai；

(3)支持USB2.0A型接口，即插即用；

(4)支持64\/128位WEP数据加密；支持WPA\/WPA-PSK、WPA2\/WPA2-PSK安全机制；

(5)支持无线漫游(Roaming)技术，保证高效的无线连接；

(6)支持Linux\/Windows2000\/WindowsXP\/Vista\/Win7操作系统；

(7)提供两种工作模式：集中式控制(Infrastructure)和对等式(Ad-Hoc)。

该网卡可以直接通过USB的接口与控制器S3C2440相连接。本系统的USB采用实时传输的传输模式，保证控制器与USB的数据实时传输。其具体的电路连接即将无线网卡AR9271的DM和DP引脚与控制器S3C2440的DN0和DP0引脚分别连接，其中USB的引脚DN与DP为差分信号。WiFi模块电路连接如图11所示。

所述声光报警器采用蜂鸣器和LED灯来实现声光报警，当矿工作业环境出现危险时，需要通过声光报警及时提醒矿工，使矿工能够及时规避危险。另外，当矿工接收到来自井上管理人员的呼叫时,也需要蜂鸣器提醒矿工接听。声光报警模块14电路原理图如图12所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

设计图

煤矿井下用安全监测智能头盔论文和设计

煤矿井下用安全监测智能头盔论文和设计-吴震

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主设计要求

设计方案

设计说明书

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