一种ZigBee通信的智能井下环境信息采集及矿工定位系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种ZigBee通信的智能井下环境信息采集及矿工定位系统。本系统通过采集节点既能采集周围瓦斯浓度、温度、湿度、CO浓度，又能采集生命体征信息，能为ZigBee移动节点提供定位参考，ZigBee参考节点采用市电供电。ZigBee移动节点为安装在矿井帽上，与头顶井下专用探照灯共用电池供电。通过信息采集，将井下环境信息通过网关传递在上位机，通过上位机进行数据处理，一旦发生环境信息异常情况，将发出报警信号，及时通知井下工作人员撤离，达到综合管理井下开采工作的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种ZigBee通信的智能井下环境信息采集及矿工定位系统
本技术属于设备远程监测及管理领域，其突出特点是采用传感器以及Zigbee通信模块实时采集井下环境信息以及井下人员生命体征信息，并通过参考节点对移动节点进行定位。可在环境信息异常情况下，及时发出报警信号，告知井下工作人员及时逃生。改变传统井下定位及信息采集系统的通信方式，在矿难发生之后，井下人员通过矿工帽上的按钮，可以互相进行通讯，引导矿工转移到安全区域。
技术介绍
矿井事故的频繁发生暴露出目前矿井监测系统的弊端：有线通信方式灵活性差，布线不便，成本高，覆盖性不足，信息不完全，且不能及时提供井下环境信息与工作人员的位置信息等，一旦事故发生，很难展开救援。传统Zigbee定位系统往往仅采用电池进行供电，电池的使用寿命一般为三个月左右，当通信定位的节点数量庞大时，维护费用会十分巨大。同时传统的矿井定位系统没有紧急情况告警功能，只能采集矿工位置信息，不能将井下环境信息异常的紧急情况，及时反馈给矿上管理人员，造成事故发现和处理迟缓。而且传统的矿井定位系统我在矿难发生之后的不能采集井下人员的生命体征，以及矿工之间不能利用系统进行通讯，给救援工作带来极大困难。因此，我们研究的低维护费用，具有及时告警基于Zigbee通信及定位技术的井下环境信息采集系统具有重大的意义。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种随时采集生命体征及环境信息关及时告警、通信及正确引导的基于ZigBee技术的智能井下环境信息采集及矿工定位系统结合附图，说明如下：一种ZigBee通信的智能井下环境信息采集及矿工定位系统，包括矿井帽及安装有生命体征信息采集模块的手环及控制电路，所述矿井帽一侧安装有报警通讯按钮(1)，矿井帽前面安装有井下专用探照灯(5)，电池盒(2)安装在矿井帽后侧，电池盒(2)向上附近安装有ZigBee通信天线(3)，所述控制电路包括设置于矿井帽顶部的ZigBee移动节点控制电路(4)、置于矿井壁上的若干ZigBee参考节点控制电路及用于系统管理的上位机，其特征在于：所述ZigBee移动节点控制电路(4)由ZigBee移动节点微控制器、生命体征信息采集模块、电源模块及按键模块组成；所述ZigBee移动节点微控制器与上述模块为单向连接；所述不同ZigBee移动节点微控制器之间双向连接；所述ZigBee参考节点控制电路由ZigBee参考节点微控制器、环境信息采集模块、箭头指示模块、报警模块和电源模块构成；所述ZigBee参考节点微控制器与上述模块为单向连接；所述ZigBee参考节点微控制器与其它ZigBee参考节点微控制器、ZigBee移动节点微控制器及用于系统管理的上位机为双向连接。所述的生命体征信息采集模块包括生命体征采集模块主控制器、心率采集模块及血压采集模块。所述的环境信息采集模块包括瓦斯浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、空气压力传感器和温湿度传感器。所述的报警模块为报警警铃。所述的箭头指示模块为OLED箭头指示屏幕。所述ZigBee参考节点电源模块集成市电和充电电池供电，可自动切换。有益效果：通过Zigbee参考节点网络，实时采集环境信息，监控并告警超出阈值环境数据。ZigBee参考节点集成市电和充电电池供电两种方式，有效降低维护费用。在发生环境信息异常时，ZigBee参考节点可以报警并提示井下工作人员及时逃生。集成在矿井帽上的Zigbee移动节点可以实时定位，使矿上管理人员掌握所有矿工的位置信息。在矿工手腕上佩戴生命体征信息采集手环，在矿难发生之后采集矿工的生命体征信息。改进传统矿井定位系统的通信方式，在矿难发生之后，矿工可以利用安装在矿井帽上的按钮进行通信，告知所在区域情况，引导生存矿工转移到安全区域。附图说明图1是本技术的系统整体框图；图2是矿井帽外观图；图3是Zigbee移动节点的功能框图；图4是Zigbee参考节点的功能框图；图5是生命体征信息采集模块功能框图；图6是Zigbee参考节点的外围电路原理图。其中是：1报警通讯按钮2为电池盒3为Zigbee通信天线4为ZigBee移动节点控制电路5为井下专用探照灯具体实施方式下面结合附图对本技术的技术方案作进一步的说明：图1是本技术的系统整体框图。Terminal是ZigBee移动节点,即集成在矿工安全帽上的Zigbee终端。Router是ZigBee参考节点,即安装在巷道壁上的Zigbee模块。Coordinator是网关，即负责管理Zigbee网络和与上位机通信的Zigbee根节点。Computer是用于系统管理的上位机。所有箭头和闪电符号均代表双向通信。图2是Zigbee矿井帽外观图。1报警通讯按钮。2为电池盒，内部安装两节1.5V电池，为Zigbee移动节点供电。3为Zigbee通信天线。4为集成在矿井帽顶部的ZigBee移动节点控制电路。5为井下专用探照灯。图3是Zigbee移动节点的功能框图。3-1是生命体征信息采集模块，3-2是Zigbee移动节点微控制器，3-3是电池供电回路，3-4是与本节点通信的Zigbee参考节点微控制器,他们之间可以进行双向通信。3-5是井下安全情况通信装置。图4是Zigbee参考节点的功能框图。4-1是报警电路，为报警警铃。4-2是瓦斯浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、空气压力传感器和温湿度传感器。4-3是结合电池与市电的电源模块。4-4是Zigbee参考节点微控制器。4-5是OLED箭头指示屏幕。图5是生命体征信息采集模块功能框图。5-1是生命体征采集模块主控制器。5-2是矿工心率采集模块。5-3是矿工血压采集模块。5-4是Zigbee移动节点模块。5-5是纽扣电池供电模块。图6是Zigbee参考节点的外围电路原理图。ZigBee参考节点中的电源模块可以实现电网供电与电池供电相结合的方式，即图中电池BT1和二极管D2构成电池供电回路，变压器T1、二极管D3、电容C5、电容C6和二极管D4构成市电供电回路。之后再由3.3V稳压芯片U7稳压输出3.3V电源。市电中断时，自动切换到电池供电。U3为MQ-4瓦斯浓度传感器，其模拟输出接到AD转换器PCF8591的模拟信号输入通道0。U4为MQ-7一氧化碳浓度传感器，其模拟输出接到AD转换器PCF8591的模拟信号输入通道1。AD转换器PCF8591接到微控制器芯片的P1_2和P1_3引脚，通过IIC总线控制。U1为BMP085空气压力传感器，其输出信号为IIC接口，接到微控制器芯片的P1_0和P1_1引脚。U2为DHT11温湿度传感器，其单引脚数字通信信号接到微控制器芯片P2_2引脚。电阻R2、发光二极管D1和三极管Q2构成箭头指示电路，通过微控制器芯片P2_1引脚控制。电阻R1、报警器LS1和三极管Q1构成报警电路，通过微控制器芯片P2_0引脚控制。环境信息通过Zigbee参考节点上安装的瓦斯浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、空气压力传感器和温湿度传感器获取，并经由安装在巷道壁上的Zigbee中继节点，传送到Zigbee网关节点中，再由网关节点上传到上位机管理系统，实时监控并显示。当某一环境数据超出管理人员事先设定的预警阈值时，监控软件会发出警报，警示管理人员及时确认预警信息，消除安全隐患。在发生矿难之后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种ZigBee通信的智能井下环境信息采集及矿工定位系统，包括矿井帽、安装有生命体征信息采集模块的手环及控制电路，所述矿井帽一侧安装有报警通讯按钮(1)，矿井帽前面安装有井下专用探照灯(5)，电池盒(2)安装在矿井帽后侧，电池盒(2)向上附近安装有ZigBee通信天线(3)，所述控制电路包括设置于矿井帽顶部的ZigBee移动节点控制电路(4)、置于矿井壁上的若干ZigBee参考节点控制电路及用于系统管理的上位机，其特征在于：所述ZigBee移动节点控制电路(4)由ZigBee移动节点微控制器、生命体征信息采集模块、电源模块、按键模块组成；所述ZigBee移动节点微控制器与上述模块为单向连接；所述不同ZigBee移动节点微控制器之间为双向连接；所述ZigBee参考节点控制电路由ZigBee参考节点微控制器、环境信息采集模块、箭头指示模块、报警模块和电源模块构成；所述ZigBee参考节点微控制器与上述模块为单向连接；所述ZigBee参考节点微控制器与其它ZigBee参考节点微控制器、ZigBee移动节点微控制器及用于系统管理的上位机为双向连接。

【技术特征摘要】
1.一种ZigBee通信的智能井下环境信息采集及矿工定位系统，包括矿井帽、安装有生命体征信息采集模块的手环及控制电路，所述矿井帽一侧安装有报警通讯按钮(1)，矿井帽前面安装有井下专用探照灯(5)，电池盒(2)安装在矿井帽后侧，电池盒(2)向上附近安装有ZigBee通信天线(3)，所述控制电路包括设置于矿井帽顶部的ZigBee移动节点控制电路(4)、置于矿井壁上的若干ZigBee参考节点控制电路及用于系统管理的上位机，其特征在于：所述ZigBee移动节点控制电路(4)由ZigBee移动节点微控制器、生命体征信息采集模块、电源模块、按键模块组成；所述ZigBee移动节点微控制器与上述模块为单向连接；所述不同ZigBee移动节点微控制器之间为双向连接；所述ZigBee参考节点控制电路由ZigBee参考节点微控制器、环境信息采集模块、箭头指示模块、报警模块和电源模块构成；所述ZigBee参考节点微控制器与上述模块为单向连接；所述ZigBee参考节点微控制器与其它Zi...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫冬梅，钟辉，王有维，隋岩，费付喜，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22