专利名称：矿工便携式安全仪的制作方法
技术领域：
本发明属于信息与自动化领域，具体涉及一种矿工便携式安全仪。
背景技术：
矿井、隧道属于高危险作业环境，因itb(寸这些环境进行远程数据监控，有利于井上或隧道外 的指挥中心更好地掌握井下或隧道内的环境安全状况，配合井下或隧道内的现场人员采取措施，消 除安全隐患。当已发生安全事故时，井上或隧道外如能掌握井下或隧道内的情况，有利于其采取救 援措施。传统的地下数据采集系统， 一般采用有线组网方式，可以有效地避免信号干扰问题，但 由于地下环境复杂，该方式具有施工难度大、传输距离有限、布线困难、系统成本高、难维护、 无法随时检查报警器的工作瞎况、当发生安全事故时无法提供准确的搜救信息等缺点。而如果采 用无线电波，特别是中频和高频段的电波的方式又会受到复杂的电磁环境影响，尤其是受限的非 自由空间，这就使得无线电波在传输过程中衰减非常大，在井深的地方或隧道深处，难以与井上 或隧道夕卜进行有效的联络。此外，传统的有线和无线方式只是对常规的温度、湿度、瓦斯等环境 因子进行采集，并没有考虑到图象传输和语音通信功能，因而不能在危机时刻提供矿井工人的现 场信息，且在无线传输方式中也未能解刺专输信号减弱等问题
发明内容
本发明的目的在于克服传统地下数据采集系统有线组网方式施工难度大、系统成本高、难维 护、无法随时检査报警器的工作情况、无&^共准确的搜救信息的缺陷，或是采用无线电波方式 时，中频和高频段的电波受到复杂的电磁环境影响，无线电波在传输过程中衰减非常大的缺陷， 提供一种由每一个矿工随身携带的安全仪，该安全仪与布置于井下的测定温度、湿度、瓦斯等的
传 结合,使井上或Piit外指挥中心可以随时了解井下或隧置内工人周围环境信息，并实现与现 场语音和视频通信的一种装置。
本发明的目的是这样实现的本矿工便携式安全仪，包括一单片机1，用于对所采集到的信息进行处理；
""存储电路2，与所述单片机l连接，用于实现大量数据的存储；
1据采集电路3，与所述单片机l及皿、湿度、瓦斯等传 连接，该数据采集电路3可 以提供至少两个数字信号输入端、至少两个模拟电流信号输入端和两个模拟电压信号输入端，用 于采集信息；
一语音编码电路4，与所述单片机l连接，用于实现语音编码和解码；
一无线射频模决5，该模±央5采用工作于超高频段的无线射频芯片，与所述语音编码电路4连 接，用于传输现场语音信息；
—电池6，该电池6为无线信号中继器Jif共稳定的电源； 一无线信号中继器7，与所述电池6连接，用于增加信号传输距离； 一耳麦8，与所述语音编码电路4连接，用于采集和接收语音信号； 一无线视频传输模块9，与所述单片机l连接，用于传输现场图像信息； —电源模±央10，该电源模块10为装置各部分电路提供稳定的电源； —报警电路ll，与所述单片机l连接，用于装置的报警；
一串口电路12，与所述单片机l连接，该串口电路12可以提供一个RS232端口，用于与PC ,讯；
"^:电路13，与所述单片机l连接，用于采皿参数的设置和功能的操作； 一显示模块14，与所述单片机l连接，用于数据、报警和操作界面显示； 一具有一个控制面板、标准的信号输入端口的一个外壳，控制面板用于安装信号指示灯、键
盘、显示器；标准的信号输入端口包括数字信号输入端口、模拟信号(电压和电流)输入端口、 RS232
端口和电源插口；装置电路板放在外壳中，端口在外壳一侧引出。
本矿工便携式安全仪的工作原理是首先舰鄉电路13输入一些控制信息，比如采集周期、
环境范围等，这些信息存储在存储电路2中，数据采集电路3采集到数据后，将其与相应的环境
范围进行比较，当某一环境因子越界时，显示模块14会闪烁，并显示当前的越界信息；矿工与管理人员进行语音通讯，打开通话键，M耳麦8、无线射频模块5和语音编码电路4来实现，其中 耳麦8用于语音信息的收发，无线射频模块5用于完成语音信息的传输，语音编码电路4用来实 现语音的编码和解码；在视频传输功能中，矿工首先通过菜单键选择视频传输功能，具体由无线 视频传输模块5来实现。此外，为了保证信息的稳定传输，该装置采用了中继传f俞方式，由无线 信号中继器7来实现。
本发明的有益效果是由于不采用有线组网方式，而采用矿工便携仪器的方式，可以有效地避 免信号干扰问题，及因地下环境复杂导致的施工难度大、传输距离有限、布线困难、系统成本高、 难维护、无法随时检查报警器的工作情况、当发生安全事故时无法提供准确的搜救信息等缺点， 由于本系统不仅可以实现工作现场常规的温度、湿度、瓦斯等环境因子的釆集，还可以采集图像 信息，实现图像、语音通信功能，即实现了现场语音禾晒象信息的传送，可以使井上和隧道外的指 挥中心随时掌握井下和隧道内的情况、隧道内工人周围环境信息，有利于指挥中心根据情况，配 合井下或隧道内现场采取措施，及时消除安全隐患，由于本安全仪具剤氐成本、低功耗、高性能、 体积小、易携带等优点，适合工人随身携带，在发生事故时，井上和隧道外的指挥中心可以掌握每 一个工人的情况，及时采取有效的救援措施。由于系统还引入了无线信号中继器及采用了超高频 波传输，克月艮了信号传输中电磁干扰的影响和传输距离柳艮制，保证了数据传输的准确性。
图1为本发明所提供一个实施例的电路框图2为本发明所掛共一个语音和视频通信电路的电路框图3为本发明所提供一个模拟信号采集的电路图； 图4为本发明所提供一个数字信号采集的电路图； 图5为本发明所提供一个报警电路的电路图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但实施例不，本发明的限制。 实施例1当使用本矿工便携式安全仪双方的通信距离较远或不能直线通信时，需在中途加设无线信号 中继器7，并用电池6供电，以保证双方信号的有效传输。选用的模块为；
单片机l，采用美国德州仪器(TI)公司的MSP430F149单片机，它在休眠的条件下工作的电流 只有0. 8 y A，即使在2. 2V、 lMHz条件下工作的电流只有280 n A ，可以很好的满足本装置低功耗 的要求；16位RSIC结构，指令的执行时间只需要150ns，还有高效的查表处理方法，有较高的处 理速度，在8MHz晶体下运算能力达到lMIPS;片上有2个16位的定时器，为装置采集定时功能的 实现提供了方便；该单片机有2个串口，可以满足系统数字信号采集和与PC机通信的要求；片上 有12位的A/D转换器，并且提供了片内参考电压，可满足本技术方案进行信息采集的需求；^f共 P1.0-P6.0共6个翻端口，为系统存储电路、显示电路和无线射频模i央功能的连接^t共了足够的 I/O资源。单片机1对所采集到的信息进行处理，并通过其连接的语音编码电路和无线视频传输模 士雑输信息；
存储电路2，采用USB接口，夕卜接U盘来实现大量数据的存储。
数据采集电路3，该电路通过一个电阻将电流信号转换成电压信号，为了提高采集的进度，需 要采用高精度的电阻(1%)，电路中采用二极管作为ESD保护电路，采用电容进行i^波处理，允许 电流输入范围为4-20mA;采用MSP430F149单片机自带的快速型12位逐次逼近式A/D转换器，它 无需外接元器件就可以独立完成A/D转换功能；温度、湿度、瓦斯传 既可利用通常置于井下 的传 ，也可由矿工自带,温湿传自采用采用北京昆仑海岸公司提供的JWSL-3，瓦斯浓度测量 则采用KGJ25型煤矿用高低浓度甲烷传感器；另掛共至少2个I/O 口来完成数字信号的采集。数 据采集电路的电路图如图5所示。
语音编码电路4，采用美国国家半导体公司推出的斜率连续可变增量(CVSD)全双工音频调制 芯片CMX639，它完缝成了语音编码和解码功能，实现了单芯片语音处理的能力，夕卜围设备简单， 而且用户可以通过其管脚方便地对其编解码算法进行设置，并且具有强大的可选择编码算法， CMX639对语音信号的每次取样，只用l个比特表示，输出的是串行比特流，可以直接送入射频芯
TRF69oo进行^ir，它具有低功耗、低价位、小体积和开;^隹衝氐等多种优点。由于话筒的语音信号幅度通常不大，因此为了减小噪声对信号质量的影响，需加入放大器对信号进行放大，系统中 采用ANT310芯片；同样地，在耳机接收时ffliiiJf波器MAX7400滤除语音信号中的高频噪声。
无线射频模块5，采用TI公司最新推出的短距离无线射频芯片TRF6900，采用FSK调制，可 以工作在850-950腿zISM超高频段，非常适合在矿井、隧道等复杂的电磁环境下进行无线通信， 其主要性能如下1)有效数据传输距离100米；2)工作电压2. 2 V-3. 6 V; 3)待机电流5 A， 工作电流50mA; 4)数据传输最高速率50Kbps。 TRF6900可以基农誇足无线耳麦对传输距离和数据 速率的要求，而且工作电压和功耗较低，可以利用电Mffl行供电。
电池6，采用蓄电池供电，可连续供电48小时。
无线信号中继器7，采用京安天下公司推出的无线信号中继器增加信号传输距离，无线布控， 无线转发，使主机与终端设备保持通讯，信号转戯巨离1000-5000米。 耳麦8，用于采集和接收语音信号。
无线视频传输模i央9，采用北京蓝波视i辩斗技有限公司推出的OEM模i央组，其主要性能如下 多频M:接变频技术150 900MHz、 1. 0G 1. 7GHz、 2. 3G 2. 7GHz;多带宽COFDM调制技术8MHz、 4MHz、 2MHz (可选)；多模式视频压縮MPGE4兼容MPEG2 (拨码选择)；高接收门限电平灵 -103dBm (10-6 BER @4MHz信道宽度)具有AES加密功能避免非法接收；手动键控14dB输出功 率可调方便实地改变功率，减少辐射；手动键控8频,择方便实地改变频点，避开干扰；高 质量视频质量无马赛克，保存最后一帧好图；支持高速移动传输；支持非M1 巨(NLOS)传输。 该模l央组ffi3i微处理器的另一个串口 (URXD、 UTXD引脚)和微处理器相连。
电源模块IO，该电源包括电池供电和外部电源供电两种接口，由于齡系乡棘用3.3V供电， 为了保证电源的稳压功能和纹波小等性能，系纟皿用TI公司的TPS76033芯片实现。
报警电路ll，当现场 出现异常时，显示模i央闪烁，为矿井工人^f財艮警功能。
串口电路12，可以掛共一个RS232端口，可用于与PC机通讯，也可作为一个数字信号采集端 口，用于数字信号的采集。
键盘电路13，采用3*3方式连接，占有系统2个中断，9个按键分别为菜单键(MENU)、确定(ENTER)、发送(SEND)、中断(INTERRUPT)、方向键(上、下)、通话键(TALK)、停止键(ST0P)、 复位键(RESET)。
显示模±央14，釆用MGLS-240128模±央来实现系统操作界面和数据的显示。 实施例2
当通信双方距离为100米以内时，无需采用中继方式实现数据传输，即不必使用电池6和无 线信号中继器7，这样可以节省系统成本，附氐系统功耗。本实施例其它部分同实施例l。
权利要求
1. 矿工便携式安全仪，其特征在于本安全仪包括—单片机(1)，用于对所采集到的信息进行处理；—存储电路(2)，与所述单片机(1)连接，用于实现大量数据的存储；—数据采集电路(3)，与所述单片机(1)连接，该数据采集电路(3)可以提供至少两个数字信号输入端、至少两个模拟电流信号输入端和两个模拟电压信号输入端，用于采集信息；—语音编码电路(4)，与所述单片机(1)连接，用于实现语音编码和解码；—无线射频模块(5)，该模块(5)采用工作于超高频段的无线射频芯片，与所述语音编码电路(4)连接，用于传输现场语音信息；—电池(6)，该电池(6)为无线信号中继器提供稳定的电源；—无线信号中继器(7)，与所述电池(6)连接，用于增加信号传输距离；—耳麦(8)，与所述语音编码电路(4)连接，用于采集和接收语音信号；—无线视频传输模块(9)，与所述单片机(1)连接，用于传输现场图像信息；—电源模块(10)，该电源模块(10)为装置各部分电路提供稳定的电源；—报警电路(11)，与所述单片机(1)连接，用于装置的报警；—串口电路(12)，与所述单片机(1)连接，该串口电路(12)可以提供一个RS232端口，用于与PC机通讯；—键盘电路(13)，与所述单片机(1)连接，用于采集器参数的设置和功能的操作；—显示模块(14)，与所述单片机(1)连接，用于数据、报警和操作界面显示；—一个控制面板、标准的信号输入端口的一个外壳，控制面板用于安装信号指示灯、键盘、显示器；标准的信号输入端口包括数字信号输入端口、模拟信号(电压和电流)输入端口、RS232端口和电源插口；装置电路板放在外壳中，端口在外壳一侧引出。
2.根据权利要求1所述的矿工便携式安全仪，其特征在于用本系统提供的RS232端口 (12)，Mii接RS232/USB转换器配置成USB端口实现数据的有线传输。
全文摘要
本发明涉及一种矿工便携式安全仪，属于信息与自动化领域。该仪器包括微处理器、存储电路、数据采集电路、语音编码电路、无线射频模块、电池、无线信号中继器、耳麦、无线视频传输模块、电源模块、报警电路、串口电路、键盘电路以及显示模块。本发明是一种可以及时了解矿工周围环境信息，并实现对现场语音和视频通信的一种装置，系统采用无线射频模块通过中继方式实现数据传输，为在矿井、隧道等受限环境下实现人员监视、预警、搜救提供了一个良好的方案。具有低成本、低功耗、高性能、易携带等特点，可作为一种通用的矿工便携式安全仪。
文档编号E21F17/18GK101429874SQ20081005856
公开日2009年5月13日 申请日期2008年6月20日 优先权日2008年6月20日
发明者张云伟, 霜 李, 蒋海波, 郭志伟 申请人:昆明理工大学