专利名称：矿用本安型头盔式矿灯摄像监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及煤矿井下安全摄像监控系统，特别涉及一种矿用本安型头盔式矿灯摄像监控系统，通过头盔上的矿灯内装摄像头采集视频信号，经基站的传输网络上传至地面，实现煤矿井下设备的监控。
背景技术：
我国大规模安装煤矿安全监测监控系统是在上世纪八九十年代，产品是我国自主研发的第一或第二代煤矿监控设备。虽然已经有部分国有大中型煤矿对这些设备进行了升级改造，安装了新一代数字化的监控系统，但是，大多数煤矿还在使用老式的设备和机器，因而，会出现安全生产的隐患，如果不定期、按时进行设备的检查和维护就容易造成安全事故。经信息化改造的监控系统和新一代数字化监控系统并不能很好地适应井下环境。
我国不少煤矿监测监控系统的信息化、自动化改造，并没有考虑到井下实际情况，虽然达到了大量数据采集、实时传输、处理和显示等功能，但是，其设备本身也对井下环境有着严格要求。例如，煤矿工作面是煤矿生产的核心所在，也是环境最恶劣、人员和设备移动最频繁、事故多发的场合。然而，煤矿信息化改造采用了有线的工业以太网作为核心，即工作面监测监控信号的传输采用有线方式，但由于工作面是一个不断移动的工作环境，有线传输的方式很难适应这种不断移动和变化的工作现场，各种因素造成传输电缆损坏和扯断的现象时有发生。此外，煤矿工作面采空区的监测更不可能通过有线传输的方式进行。物联网体系中的新型传感器、无线传感器网络、RFID等技术以及统一的标准将能很好地解决现有煤矿监测监控系统中所存在的问题，但如何将这些技术应用于煤矿监测监控和井下救灾，还需要深入的探讨和研究。
无线传感器网络(WSN)具有放置灵活、扩展简便、移动性强和自组织等特点，这些特点无疑是井下监测监控不可或缺的。因此，基于WSN的井下的监测监控，将比目前采用的有线方式具有更多的优势。但是，工作面布置有液压支架、采煤机、刮板运输机等大型金属设备以及煤、岩等介质，因此煤矿工作面隧道是一种非均匀异质边界的有限空间。此外，随着工作面的推进，信息传输的空间形状也在不断发生变化。现有的地上无线传感器的研究成果并不能简单地应用于采煤工作面，因此，无线传感器网络在井下应用还有许多关键技术和问题需要解决，如克服井下多径干扰的传输方式、组网形式、拓扑结构、通信协议等。国外专家已提出在煤矿井下大巷中利用WSN实现煤矿工人的跟踪定位及井下环境监测。无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。在国内，科研院所已将无线传感器网络应用于煤矿井下监测监控和井下救灾；确定为优先研究的课题，通过无线传感网络对每个矿工进行实时定位，期望实现与各种灾害预警系统的联动。但在实际应用中的各种技术方案则各具优缺点，均存在不足之处。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的不足，提供一种移动式矿用头盔式矿灯摄像系统的技术方案，基于无线通信和红外摄像技术配合移动式矿用头盔式矿灯、通过无线传感网络对每个矿工进行实时定位，具有安全、灵活、简便、移动性强和自组织成系统的特点，实现井下监测监控。本发明是通过这样的技术方案实现的矿用本安型头盔式矿灯摄像监控系统，包括地面监控设备、若干接收基站和若干矿用头盔式摄像装置，其特征在于矿用头盔式摄像装置以移动式矿用头盔式矿灯为安装媒介，将红外摄像机、视频信号采集电路与矿用头盔 式矿灯结合为一体，通过红外摄像机采集视频信号，将视频信号压缩存储，再经过无线发射装置传输到接收基站，由接收基站再传送到地面监控设备；
所述矿用头盔式摄像装置包括灯头组件和腰部挎带组件；
所述灯头组件包括灯壳，灯壳外形为半球状，其内部为型腔结构，型腔结构与灯壳内安装的元、部件的形状相配合，灯壳内型腔的前部边沿加工有用于固定圆盘状LED电路板的卡槽，LED电路板的中心开孔，中心开孔内径与红外摄像机的镜头外径相配合，红外摄像机的镜头端固定在LED电路板的中心开孔内，红外摄像机的机身部分由灯壳内部相应的型腔支撑；在1^0电路板的中心开孔的外径至LED电路板外径之间的板面位置上，间隔排列红外LED环形阵列和白光LED环形阵列；
灯壳的背面固定连接灯头组件电路盒，灯壳背面与灯头组件电路盒结合处设有穿线
孔；
传输线接线盒固定在灯头组件电路盒后面，传输线接线盒内固定插拔式接线插座，传输线接线盒背面对应插拔式接线插座的位置加工有插孔透口；
灯头组件电路盒上安装有灯头组件电路的LED控制按钮、摄像功能控制按钮、无线传输控制按钮；灯头组件电路盒下面设有连接头盔的插板；灯头组件电路安装在灯头组件电路盒内；
灯头组件电路主要包括MCU芯片PIC18F4580、LED电路、红外摄像机、CMOS处理芯片0V5017、A/D转换器芯片AD9236、照度传感器和CAN驱动芯片NXP1050 ;MCU芯片PIC18F4580分别与LED电路、CMOS处理芯片0V5017、A/D转换器芯片AD9236、和CAN驱动芯片NXP1050连接；照度传感器与Α/D转换器芯片AD9236连接，红外摄像机与CMOS处理芯片0V5017连接，LED电路主要由红外LED和白光LED组成；电路由MCU芯片PIC18F4580实现帧同步控制；
红外摄像机的视频电缆连接CMOS处理芯片0V5017，视频信号通过CMOS处理芯片0V5017的模拟信号输出端口向后端传输；
腰部挎带组件电路安装在腰部挎带组件电路盒内，主要包括DSP芯片TMS320LF2812、无线控制芯片CC2530、功率放大器CC2590、信号处理芯片AK8408、32G存储芯片Sandisk-05105-032G、CAN驱动芯片NXP1050、SMA天线接口、充电控制电路和电池组；
DSP芯片TMS320LF2812分别与无线控制芯片CC2530、功率放大器CC2590、信号处理芯片AK8408和CAN驱动芯片NXP1050连接；
灯头组件电路的CAN驱动芯片NXP1050与腰部挎带组件电路的CAN驱动芯片NXP1050之间通过插拔式接线端子和线缆连接。矿用本安型头盔式矿灯摄像监控系统的实现方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤
a)通过MCU芯片PIC18F4580实现帧同步控制功能，帧同步控制设定三挡控制模式，分别为
节电模式、正常模式和高清模式；
节电模式下的控制帧速率为8帧/秒；
正常模式下的控制帧速率为15帧/秒；
高清模式下的控制帧速率为30帧/秒；
由照度传感器采集照度信号，经Α/D转换器芯片AD9236转换为数字信号，数字信号传至MCU芯片PIC18F4580构成的帧同步控制电路，MCU芯片PIC18F4580的程序根据预定照度数值对此数字信号进行对比，判断是否打开红外LED,并同时打开CMOS处理芯片0V5017的控制使能及反馈使能；
b)按动灯头组件电路上的无线传输控制按钮后，MCU芯片PIC18F4580获得执行无线传输功能信息，MCU芯片PIC18F4580通过CAN驱动芯片NXP1050向腰跨组件电路的DSP芯片TMS320LF2812发送控制指令，开始启动无线传输功能；DSP芯片TMS320LF2812通过CAN驱动芯片NXP1050发出正常启动反馈；
c)MCU芯片PIC18F4580根据对三挡控制模式的检测结果，决定是否启动哪一挡位控制模式，同时控制LED电路的红外LED依照相应挡位帧速率开启和关闭；
d)CM0S处理芯片0V5017将视频信号发给信号处理芯片AK8408，并收到反馈，信号处理芯片AK8408将处理后视频压缩数据传给32G存储芯片Sandisk-05105_032G存储，同时将视频压缩数据传给DSP芯片TMS320LF2812 ；
e)视频压缩数据经DSP芯片TMS320LF2812处理后，传至无线控制芯片CC2530，DSP芯片TMS320LF2812同时接收由MCU芯片PIC18F4580通过CAN驱动芯片NXP1050传来的控制指令，根据控制指令启动功率放大器CC2590工作，将视频压缩数据通过SMA天线接口连接天线发射。本发明的有益效果是1、采用LED灯提供光源，并且使用同帧率同步控制技术和红外灯自控技术控制LED和摄像帧率同步，能够大大减少电池耗电量；2、采用可移动摄像技术，大大提高了井下监控的实时性，并最大程度上减少监控盲点率，提高井下突发状况调度应急处理速度，并且提高危险状况预判断时间；3、提供实时压缩存储的方式，当井下出现事故或传输故障后实时存储成为专业黑匣子，提高环境适用性；4、使用无缝接入技术，在无线基站节点交换处，能够自动识别，实时无缝切换传输。5、终端设备体积小巧，采用本质安全型电路设计，安全性高。特有同帧率同步控制技术和红外灯自控技术控制延长电池使用时间，充满电在15帧/s下所有耗能设备和功能全部打开并开到最大，也即将摄像、照明、无线传输、存储功能全部打开，照明最大照射能够使用48小时以上。当巷道布置足够数量的接收基站时，可以实现全矿井监控。
图I、系统结构框 图2、电路结构框 图3、充电控制模块电路 图4、矿用头盔式摄像灯头轴测图A ；
图5、矿用头盔式摄像灯头轴测图B ；
图6、矿用头盔式摄像灯头主视 图7、矿用头盔式摄像灯头侧视图；
图8、矿用头盔式摄像灯头俯视图。图中1.灯壳，2.灯头组件电路盒，3.传输线接线盒，4. LED控制按钮，5.摄像功能控制按钮，6.无线传输控制按钮，7.红外摄像机，8. LED电路板，9.红外LED环形阵列，91.白光LED环形阵列，10.插板，11.线缆。
具体实施例方式矿用本安型头盔式矿灯摄像监控系统包括地面监控设备、若干接收基站和若干矿用头盔式摄像装置，矿用头盔式摄像装置以移动式矿用头盔式矿灯为安装媒介，将红外摄像机、视频信号采集电路与矿用头盔式矿灯结合为一体，通过红外摄像机采集视频信号，将视频信号压缩存储，再经过无线发射装置传输到接收基站，由接收基站再传送到地面监控设备；
矿用头盔式摄像装置包括灯头组件和腰部挎带组件；
灯头组件包括灯壳1，灯壳I外形为半球状，其内部为型腔结构，型腔结构与灯壳I内安装的元、部件的形状相配合，灯壳I内型腔的前部边沿加工有用于固定圆盘状LED电路板8的卡槽，LED电路板8的中心开孔，中心开孔内径与红外摄像机7的镜头外径相配合，红外摄像机7的镜头端固定在LED电路板8的中心开孔内，红外摄像机7的机身部分由灯壳I内部相应的型腔支撑；在LED电路板8的中心开孔的外径至LED电路板8外径之间的板面位置上，间隔排列红外LED环形阵列9和白光LED环形阵列91 ；
灯壳I的背面固定连接灯头组件电路盒2，灯壳I背面与灯头组件电路盒2结合处设有穿线孔；传输线接线盒3固定在灯头组件电路盒2后面，传输线接线盒3内固定插拔式接线插座，传输线接线盒背面对应插拔式接线插座的位置加工有插孔透口 ；
灯头组件电路盒2上安装有灯头组件电路的LED控制按钮4、摄像功能控制按钮5、无线传输控制按钮6 ;灯头组件电路盒2下面设有连接头盔的插板10 ;灯头组件电路安装在灯头组件电路盒2内；
灯头组件电路主要包括MCU芯片PIC18F4580、LED电路、红外摄像机7、CMOS处理芯片0V5017、A/D转换器芯片AD9236、照度传感器和CAN驱动芯片NXP1050 ;MCU芯片PIC18F4580分别与LED电路、CMOS处理芯片0V5017、A/D转换器芯片AD9236、和CAN驱动芯片NXP1050连接；照度传感器与Α/D转换器芯片AD9236连接，红外摄像机7与CMOS处理芯片0V5017连接，LED电路主要由红外LED和白光LED组成；
红外摄像机7的视频电缆连接CMOS处理芯片0V5017，视频信号通过CMOS处理芯片0V5017的模拟信号输出端口向后端传输；
腰部挎带组件电路安装在腰部挎带组件电路盒内，主要包括DSP芯片TMS320LF2812、无线控制芯片CC2530、功率放大器CC2590、信号处理芯片AK8408、32G存储芯片Sandisk-05105-032G、CAN驱动芯片NXP1050、SMA天线接口、充电控制电路和电池组；
DSP芯片TMS320LF2812分别与无线控制芯片CC2530、功率放大器CC2590、信号处理芯片AK8408和CAN驱动芯片NXP1050连接；
灯头组件电路的CAN驱动芯片NXP1050与腰部挎带组件电路的CAN驱动芯片NXP1050之间通过插拔式接线端子和线缆11连接；
当在井上充电时，充电控制器自动工作，控制充电及保护。摄像头部分采用CMOS型处理器件经过调制传输，并由微控制器控制摄像帧与红外灯同步，最终传输给压缩处理部分；
LED部分选用高流明白光LED带有无极调光控制；
压缩存储压缩存储部分采用编码压缩芯片和存储芯片组成，带有转发功能，以H. 264格式压缩存储，并带有USB从设备接口 ；
无线发射装置无线发射部分采用2. 4G频段，无线节点模式进行通信，同时带有蓝牙接口可以选用；
接收基站接收部分采用2. 4G频段，无线热点模式，并带有蓝牙接口选用，同时加入光纤接口和以太网接口可以采用多种接口模式进行组网；
地面监控设备主控制PC部分接收卡为以太网或光纤，经过视频监控软件处理显示在显示屏或其他显示设备上。根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。
权利要求
1.矿用本安型头盔式矿灯摄像监控系统，包括地面监控设备、若干接收基站和若干矿用头盔式摄像装置，其特征在于矿用头盔式摄像装置以移动式矿用头盔式矿灯为安装媒介，将红外摄像机、视频信号采集电路与矿用头盔式矿灯结合为一体，通过红外摄像机采集视频信号，将视频信号压缩存储，再经过无线发射装置传输到接收基站，由接收基站再传送到地面监控设备；所述矿用头盔式摄像装置包括灯头组件和腰部挎带组件；所述灯头组件包括灯壳，灯壳外形为半球状，其内部为型腔结构，型腔结构与灯壳内安装的元、部件的形状相配合，灯壳内型腔的前部边沿加工有用于固定圆盘状LED电路板的卡槽，LED电路板的中心开孔，中心开孔内径与红外摄像机的镜头外径相配合，红外摄像机的镜头端固定在LED电路板的中心开孔内，红外摄像机的机身部分由灯壳内部相应的型腔支撑；在LED电路板的中心开孔的外径至LED电路板外径之间的板面位置上，间隔排列红外LED环形阵列和白光LED环形阵列；灯壳的背面固定连接灯头组件电路盒，灯壳背面与灯头组件电路盒结合处设有穿线孔；传输线接线盒固定在灯头组件电路盒后面，传输线接线盒内固定插拔式接线插座，传输线接线盒背面对应插拔式接线插座的位置加工有插孔透ロ ；灯头组件电路盒上安装有灯头组件电路的LED控制按钮、摄像功能控制按钮、无线传输控制按钮；灯头组件电路盒下面设有连接头盔的插板；灯头组件电路安装在灯头组件电路盒内；灯头组件电路主要包括MCU芯片PIC18F4580、LED电路、红外摄像机、CMOS处理芯片0V5017、A/D转换器芯片AD9236、照度传感器和CAN驱动芯片NXP1050 ；MCU芯片PIC18F4580分别与LED电路、CMOS处理芯片0V5017、A/D转换器芯片AD9236、和CAN驱动芯片NXP1050连接；照度传感器与A/D转换器芯片AD9236连接，红外摄像机与CMOS处理芯片0V5017连接，LED电路主要由红外LED和白光LED组成；电路由MCU芯片PIC18F4580实现帧同步控制；红外摄像机的视频电缆连接CMOS处理芯片0V5017，视频信号通过CMOS处理芯片0V5017的模拟信号输出端ロ向后端传输；腰部挎带组件电路安装在腰部挎带组件电路盒内，主要包括DSP芯片TMS320LF2812、无线控制芯片CC2530、功率放大器CC2590、信号处理芯片AK8408、32G存储芯片Sandisk-05105-032G、CAN驱动芯片NXP1050、SMA天线接ロ、充电控制电路和电池组；DSP芯片TMS320LF2812分别与无线控制芯片CC2530、功率放大器CC2590、信号处理芯片AK8408和CAN驱动芯片NXP1050连接；灯头组件电路的CAN驱动芯片NXP1050与腰部挎带组件电路的CAN驱动芯片NXP1050之间通过插拔式接线端子和线缆连接。
2.矿用本安型头盔式矿灯摄像监控系统的实现方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 通过MCU芯片PIC18F4580实现帧同步控制功能，帧同步控制设定三挡控制模式，分别为 节电模式、正常模式和高清模式； 节电模式下的控制帧速率为8帧/秒； 正常模式下的控制帧速率为15帧/秒； 高清模式下的控制帧速率为30帧/秒； 由照度传感器采集照度信号，经A/D转换器芯片AD9236转换为数字信号，数字信号传至MCU芯片PIC18F4580构成的帧同步控制电路，MCU芯片PIC18F4580的程序根据预定照度数值对此数字信号进行对比，判断是否打开红外LED,并同时打开CMOS处理芯片0V5017的控制使能及反馈使能；按动灯头组件电路上的无线传输控制按钮后，MCU芯片PIC18F4580获得执行无线传输功能 信息，MCU芯片PIC18F4580通过CAN驱动芯片NXP1050向腰跨组件电路的DSP芯片TMS320LF2812发送控制指令，开始启动无线传输功能；DSP芯片TMS320LF2812通过CAN驱动芯片NXP1050发出正常启动反馈； MCU芯片PIC18F4580根据对三挡控制模式的检测结果，决定是否启动哪ー挡位控制模式， 同时控制LED电路的红外LED依照相应挡位帧速率开启和关闭； CMOS处理芯片0V5017将视频信号发给信号处理芯片AK8408，并收到反馈，信号处理芯片AK8408将处理后视频压缩数据传给32G存储芯片Sandisk-05105_032G存储，同时将视频压缩数据传给DSP芯片TMS320LF2812 ； 视频压缩数据经DSP芯片TMS320LF2812处理后，传至无线控制芯片CC2530，DSP芯片TMS320LF2812同时接收由MCU芯片PIC18F4580通过CAN驱动芯片NXP1050传来的控制指令，根据控制指令启动功率放大器CC2590工作，将视频压缩数据通过SMA天线接ロ连接天线发射。
全文摘要
本发明涉及矿用本安型头盔式矿灯摄像监控系统，包括地面监控设备、接收基站和矿用头盔式摄像装置，将红外摄像机、视频信号采集电路与矿用头盔式矿灯结合为一体，矿用头盔式摄像装置通过无线发射装置无线连接到接收基站，接收基站通过光缆连接地面监控设备；本发明采用LED为光源，使用同帧率同步控制和红外灯自控技术控制LED和摄像帧率同步，耗电量小；采用可移动摄像技术，提高了井下监控的实时性，减少监控盲点率，提高井下突发状况调度应急处理速度，提高危险状况预判断时间；装置采用本质安全型电路设计，安全性高，可以实现全矿井监控。
文档编号G03B15/05GK102665072SQ20121017080
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者孙建辉, 张远, 赵健胜 申请人:天津华宁电子有限公司