专利名称：基于物联网的煤矿人员定位与安全感知终端的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种信息終端，特别是涉及ー种用于煤矿井下人员定位与环境探测的信息終端。
背景技术：
煤矿井下空间狭窄、巷道复杂、环境恶劣，GPS、北斗等卫星定位系统难以在煤矿井下发挥作用，传统的定位系统与技术难以直接应用于矿井，受节点计算、通信、存储、电能等资源配置限制，难以实现井下全方位跟踪定位。随着物联网在煤矿领域的推广应用，利用物联网络的通信技术，就可以实现定位信号的測量和传输，以及实现对煤矿井下人员周围环境安全状况的感知。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种人员定位与安全感知終端，解决煤矿井下的人员定位，以及人员周围环境安全感知与数据传输的技术问题。本实用新型的ー种定位与安全感知終端，包括供电模块，还包括由供电模块提供工作电源的微控制器模块、无线收发模块、数据采集处理模块，微控制器模块分别连接数据采集处理模块和无线收发模块；微控制器模块对数据采集处理模块传送的信号进行处理形成环境监测数据，响应定位基站的广播信号将各组环境数据编码传送至无线收发模块，对定位基站的控制信号进行处理，判断是否发出报警信号；无线收发模块与定位基站建立通信链路，将微控制器模块传送的数据发送到定位基站，接收定位基站发送的控制信号和数据，传送给微控制器模块；数据采集处理模块，将传感器采集到的信号进行滤波放大后，转换为数字信号后传送给微控制器模块进行处理。所述微控制器模块包括微处理器及与其连接的存储器、求救/报警电路和UART单元，微处理器完成对各控制信号的处理，存储器储存控制程序和感知数据，求救/报警电路根据微处理器的报警信号发出声光报警，UART単元与外部接ロ相连，用于微控制器的编程与程序升级。所述无线收发模块包括控制单元和与之相连接的射频电路、ZigBee单元，控制单元将待发送的数据传送至ZigBee单元进行符合ZigBee协议标准的数据结构转换，形成统一的ZigBee标准数据后，传送至射频电路，控制单元将射频电路接收的信号传送至微控制器模块；射频电路把数据通过无线射频信号发射，以及接收外部的无线信号。所述数据采集处理模块包括传感器、信号调理电路和摸/数转换器，传感器采集环境中的有害气体浓度，信号调理电路对采集信号进行滤波放大后传送给模/数转换器转换为数字信号，传送至微控制器模块。本实用新型的定位与安全感知終端，包括集成控制芯片，存储器芯片，集成运放芯片，摸/数转换芯片，瓦斯传感器，USB接ロ芯片；集成控制芯片的引脚18和引脚19连接USB接ロ芯片的引脚25和引脚26，集成控制芯片的引脚33、引脚34、引脚36和引脚37连接存储器芯片的引脚6、引脚2、引脚5和引脚1，集成控制芯片的引脚42、引脚41和引脚38连接摸/数转换芯片的引脚18、引脚19和引脚20，摸/数转换芯片的引脚7串联第十三电阻后连接集成运放芯片的引脚14，集成运放芯片的引脚4连接瓦斯传感器引脚4，集成运放芯片的引脚5串联第九电阻后分别连接瓦斯传感器引脚3和引脚2，集成运放芯片的引脚4串联第七电阻后连接瓦斯传感器引脚I。本实用新型的人员定位与安全感知終端可以快速实现煤矿巷道中移动人员的快速定位，有利于监控中心随时掌握矿井下的工作状态。由于工作人员的分布范围较大，携帯的瓦斯传感器可以提供大范围内瓦斯浓度的精确数值，为井下灾害预防提供了有利条件，大大提高了预警时间，利用建立的通信链路还可以及时预警，有计划地安排井下人员撤离。同时工作人员在井下的复杂工作环境中往往会遭遇意外，难以及时发现，利用本实用新型可以通过物联网络随时发出主动求救信息,增加了抗灾自救手段。
以下结合附图对本实用新型的实施例作进ー步说明。
图I为本实用新型人员定位与安全感知终端的结构示意图；图2为本实用新型人员定位与安全感知终端实施例的硬件电路连接示意图。
具体实施方式
本实用新型的人员定位与安全感知終端充分利用了煤矿部署的物联网络技术，利用现有的ZigBee部件搭建了监控中心与各感知终端间的信号传输通道。地面监控中心通过在煤矿巷道布署的物联网络，由井下定位基站(信标节点)与感知终端进行数据通讯，定位基站每2秒发送一次广播信号，与附近的感知終端建立无线通讯链路，定位基站把获取的与感知终端的通讯信号強度(RSSI)传送至监控中心，每个终端都有ー个唯一的ID作为身份识别标识，监控中心采用质心算法计算井下人员与信标节点的距离，实现人员的定位，并在监视器上显示其具体位置。定位基站布设在矿井巷道中间距在150米以内，布设在エ作面附近间距不超过50米。如图I所示，本实用新型的人员定位与安全感知終端包括微控制器模块01、无线收发模块02、数据采集处理模块03和供电模块04，供电模块为以上各模块提供工作电压。微控制器模块01分别连接数据采集处理模块03和无线收发模块02，微控制器模块01对数据采集处理模块03传送的数字信号进行处理形成环境监测数据，响应定位基站的广播信号将各组环境数据编码传送至无线收发模块02，对定位基站的控制信号进行处理，判断是否发出报警信号。微控制器模块01包括微处理器011及与其连接的存储器012、求救/报警电路013和UART単元014，微处理器011完成对控制信号的处理，存储器012储存控制程序和感知数据，求救/报警电路013根据微处理器011的报警信号发出声光报警，UART単元014与外部接ロ相连，用于微控制器的编程与程序升级。无线收发模块02，与定位基站建立通信链路，将微控制器模块01转换、处理和编码后的数据发送到定位基站，接收定位基站发送的控制信号和数据，传送给微控制器模块01。无线收发模块02包括控制单元022和与之相连接的射频电路023、ZigBee单元021，控制单元022将待发送的数据传送至ZigBee単元021进行符合ZigBee协议标准的数据结构转换，形成统ー的ZigBee标准数据后，传送至射频电路023 ;射频电路023将数据转换为无线射频信号发射，同时还完成无线射频信号的接收和转换。数据采集处理模块03，将传感器采集到的信号进行滤波放大，转换为数字信号后传送给微控制器模块01。数据采集处理模块03包括传感器031、信号调理电路032和模/数转换器033，传感器031采集环境中的有害气体浓度，信号调理电路032对采集的信号进行滤波放大，传送给模/数转换器033转换为数字信号，再传送给微控制器模块01进行处理。供电模块04，完成外部电源和内部电源的切換，当连接外部电源时完成外部电源对内部电源中的蓄电池充电。如图2所示，本实用新型的人员定位与安全感知终端的实施例电路包括集成控制 芯片UOI，存储器芯片U02，集成运放芯片U03，模/数转换芯片U04，瓦斯传感器U05，USB接ロ芯片U06。在硬件选型上，从功耗、成本、通信范围等方面比较了几种常见的ZigBee芯片，选用了休眠电流较小，通信距离较远的JENNIC-5139芯片作为集成控制芯片UOl0JENNIC-5139芯片由英国Jennic公司设计生产，集无线收发模块与微控制器模块的主要功能于一体。作为节点控制与通讯的核心单元，其工作电压3V,无线通讯时工作电流37mA,休眠状态电流为2. 6 μ A，模块内嵌Zigbee无线通讯协议，支持无线传感网络通讯，采用32位的RISC CPU，内部集成了 96KB RAM, 192KB ROM，2个UART单元作为备用的通讯通道。JENNIC-5139功能強大，便于扩展。无线收发模块负责与井下定位基站进行无线通信，JENNIC-5139是将无线收发器和控制器集成在一起的微控制器，从而保证无线模块与数据处理模块工作更加可靠。JENNIC-5139芯片没有集成程序存储器，故采用芯片自带SPI接ロ，外扩程序存储器，程序存储器采用STMicroelectronics公司推出的高可靠性串行闪存M25P10作为存储器芯片U02，该芯片集成标准的4线SPI总线和最大50MHz数据传输时钟，具有I μ A深省电功能，使整体功耗达到最低水平，将Μ25Ρ10直接连接至JENNIC-5139的SPI接口上，使用标准SPI时序即可读写片上数据。UART单元外接的FT232RL接ロ转换芯片作为USB接ロ芯片U06，可以实现USB到串行UART接ロ的转换，用于微控制器的编程与程序升级。芯片AD7998作为摸/数转换芯片U04，瓦斯传感器U05的型号为MJC4/3. 0L,把瓦斯气体转换成O 3V的电压信号，AD7998是具有8路12位低功率I2C总线接ロ的模/数转换芯片，将瓦斯传感器输出的电压信号转换成数字信息并采用I2C总线传送给JENNIC-5139。用于信号放大的集成运放芯片U03采用四运放集成电路LM324。集成控制芯片UOl的引脚11和引脚12分别连接第一晶体振荡器Yl的两端，集成控制芯片UOl的引脚11串联第三电容C3和第四电容C4后连接工作电源VCC，第二十九电容C29并联第四电容C4，集成控制芯片UOl的引脚12连接第八电容C8，第三电容C3和第八电容C8并联接地。射频电路包括第二电容C2，第一电容Cl，第七电容C7，第六电容C6，第一电阻Rl，第六电阻R6，第十八电阻R18，集成控制芯片UOl的引脚17连接第一电阻R1，集成控制芯片UOl的引脚15连接第七电容C7，第一电阻Rl和第七电容C7并联，经串联第六电容C6后连接天线Al，集成控制芯片UOl的引脚16和引脚15间连接第十八电阻R18，集成控制芯片UOl的引脚15和引脚17间连接第六电阻R6。复位电路包括电解电容DC1，第二电阻R2，复位开关SI，第二电阻R2的一端连接工作电源VCC，另一端串联电解电容DCl后接地，复位开关SI的两端分别连接电解电容DCl的两端，复位开关SI连接电解电容DCl高电位的一端连接集成控制芯片UOl的引脚8。报警电路包括第十七电阻R17，发光二极管LED1，第一三极管Q1，第十六电容C16，扬声器SPK，第一三极管Ql的基极连接集成控制芯片UOl的引脚44，工作电源VCC串联第十七电阻R17和发光二极管LEDl后连接第一三极管Ql的集电极，第一三极管Ql的发射极串联第十六电容C16后接地，第十六电容C16的两端连接扬声器SPK的信号线。求救电路包括触发开关S2，第十七电容C17，第十九电阻R19，集成控制芯片UOl的引脚43连接第十七电容C17后接地，集成控制芯片UOl的引脚43连接第十九电阻R19后连接工作电源VCC，触发开关S2的两端连接第十七电容C17的两端。 存储器芯片U02的引脚I、引脚5、引脚2和引脚6连接集成控制芯片UOl的引脚37、引脚36、引脚34和引脚33，存储器芯片U02的引脚8和引脚4之间连接第五电容C5，存储器芯片U02的引脚3、引脚7和引脚8连接工作电源VCC，存储器芯片U02的引脚4接地。USB接ロ芯片U06的引脚25和引脚26连接集成控制芯片UOI的引脚18和引脚19，USB接ロ芯片U06的引脚9、引脚29、引脚31和引脚14接地。USB接ロ芯片U06的相应引脚与第九电容C9，第二十四电容C24，第二十三电阻R23，第十八电容C18，第二i^一电容C21，第二十三电容C23，第二十五电容C25，第二十六电容C26，第二晶体振荡器Y2，第二十四电阻R24，第二十二电阻R22，第二 i^ 一电阻R21，第十九电容C19，第二十电容C20，第二十二电容C22连接，组成USB端ロ。瓦斯传感器U05的引脚4连接集成运放芯片U03的引脚4，瓦斯传感器U05的引脚4通过第八电阻R8连接集成运放芯片U03的引脚3，瓦斯传感器U05的引脚3和引脚2通过第九电阻R9连接集成运放芯片U03的引脚5，瓦斯传感器U05的引脚I通过电阻R7连接集成运放芯片U03的引脚4，瓦斯传感器U05的引脚I通过第十电容ClO连接集成运放芯片U03的引脚5 ;集成运放芯片U03的引脚2和引脚I通过串联第十电阻R10、第三电阻R3、第五电阻R5和第十二电阻R12连接集成运放芯片U03的引脚12，集成运放芯片U03的引脚2和引脚I通过串联第十电阻R10、第三电阻R3和第四电阻R4连接集成运放芯片U03的引脚14，集成运放芯片U03的引脚2和引脚I通过第十电阻RlO连接集成运放芯片U03的引脚13，集成运放芯片U03的引脚6和引脚7通过第i^一电阻Rll连接集成运放芯片U03的引脚12 ;集成运放芯片U03的引脚14连接第十三电阻R13后连接模/数转换芯片U04的引脚7。模/数转换芯片U04的引脚6和引脚20之间并联第十二电容C12和第十三电容C13，摸/数转换芯片U04的引脚2和引脚19间连接第十五电阻R15，摸/数转换芯片U04的引脚2和引脚18间连接第十六电阻R16，模/数转换芯片U04的引脚2和引脚21间并联第十四电容C14和第十五电容C15，摸/数转换芯片U04的引脚20、引脚18和引脚19连接集成控制芯片UOl的引脚38、引脚42和引脚41。当本实用新型的人员定位与安全感知终端工作时，首先集成控制芯片UOl通过射频电路与最接近的定位基站建立稳定的通信链路，监控中心记录各通信链路中感知终端的信号强度參数，每个终端都有ー个唯一的ID作为身份识别标识，采用质心算法计算感知终端与相应定位基站间的距离，实现人员的快速定位。瓦斯传感器U05实时采集感知終端周边的瓦斯浓度，信号经模/数转换芯片U04传送至集成控制芯片UOl处理，通过通信链路向监控中心传送感知数据。监控中心根据监测系统的评估作出危险预警，将预警信号通过通信链路传送至感知終端上，集成控制芯片UOI驱动报警电路发出声光报警。当感知终端持有者感觉到危害时,通过求救电路发出求救信号，集成控制芯片UOl将求救信号通过通信链路传送至监控中心求救。以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护 范围内。
权利要求1.ー种定位与安全感知終端，包括供电模块(04)，其特征在干还包括由供电模块提供工作电源的微控制器模块(01)、无线收发模块(02)、数据采集处理模块(03)，微控制器模块(01)分别连接数据采集处理模块(03)和无线收发模块(02);微控制器模块(01)对数据采集处理模块(03)传送的信号进行处理形成环境监测数据，响应定位基站的广播信号将各组环境数据编码传送至无线收发模块(02)，对定位基站的控制信号进行处理，判断是否发出报警信号；无线收发模块(02)与定位基站建立通信链路，将微控制器模块(01)传送的数据发送到定位基站，接收定位基站发送的控制信号和数据，传送给微控制器模块(01)；数据采集处理模块(03)，将传感器采集到的信号进行滤波放大后，转换为数字信号后传送给微控制器模块(01)进行处理。
2.根据权利要求I所述的定位与安全感知終端，其特征在于所述微控制器模块(01)包括微处理器(011)及与其连接的存储器(012)、求救/报警电路(013)和UART単元(014)，微处理器(011)完成对各控制信号的处理，存储器(012)储存控制程序和感知数据，求救/报警电路(013)根据微处理器(011)的报警信号发出声光报警，UART単元(014)与外部接ロ相连，用于微控制器的编程与程序升级。
3.根据权利要求2所述的定位与安全感知終端，其特征在干所述无线收发模块(02)包括控制单元(022)和与之相连接的射频电路(023)、ZigBee单元(021)，控制单元(022)将待发送的数据传送至ZigBee単元(021)进行符合ZigBee协议标准的数据结构转换，形成统ー的ZigBee标准数据后，传送至射频电路(023)，控制单元(022)将射频电路(023)接收的信号传送至微控制器模块(01);射频电路(023)把数据通过无线射频信号发射，以及接收外部的无线信号。
4.根据权利要求3所述的定位与安全感知終端，其特征在于所述数据采集处理模块(03)包括传感器(031)、信号调理电路(032)和摸/数转换器(033)，传感器(031)采集环境中的有害气体浓度，信号调理电路(032)对采集信号进行滤波放大后传送给摸/数转换器(033)转换为数字信号，传送至微控制器模块(01)。
5.根据权利要求I至4所述的任一定位与安全感知終端，其特征在于包括集成控制芯片(UOl)，存储器芯片(U02)，集成运放芯片(U03)，模/数转换芯片(U04)，瓦斯传感器(U05)，USB 接 ロ芯片(U06)； 集成控制芯片(UOl)的引脚18和引脚19连接USB接ロ芯片(U06)的引脚25和引脚26，集成控制芯片(UOl)的引脚33、引脚34、引脚36和引脚·37连接存储器芯片(U02)的引脚6、引脚2、引脚5和引脚1，集成控制芯片(UOl)的引脚42、引脚41和引脚38连接摸/数转换芯片(U04)的引脚18、引脚19和引脚20，摸/数转换芯片(U04)的引脚7串联第十三电阻(R13)后连接集成运放芯片(U03)的引脚14，集成运放芯片(U03)的引脚4连接瓦斯传感器(U05)引脚4，集成运放芯片(U03)的引脚5串联第九电阻(R9)后分别连接瓦斯传感器(U05)引脚3和引脚2，集成运放芯片(U03)的引脚4串联第七电阻(R7)后连接瓦斯传感器(U05)引脚I。
专利摘要基于物联网的煤矿人员定位与安全感知终端，涉及一种信息终端。包括供电模块，微控制器模块、无线收发模块、数据采集处理模块，微控制器模块分别连接数据采集处理模块和无线收发模块，对数据采集处理模块传送的数字信号进行处理形成环境安全感知数据，响应定位基站的广播信号将各组环境安全感知数据编码传送至无线收发模块，对定位基站的控制信号进行处理，判断是否发出报警信号；无线收发模块与定位基站建立通信链路，发送和接收控制信号和数据；数据采集处理模块，将传感器采集到的模拟信号进行滤波放大，转换为数字信号后传送给微控制器模块和无线收发模块进行处理。本实用新型可解决煤矿井下的人员定位，以及环境安全信息的感知与可靠传输。
文档编号E21F17/18GK202483630SQ20122006141
公开日2012年10月10日 申请日期2012年2月23日 优先权日2012年2月23日
发明者史长胜, 孟祥瑞, 王军号, 王向前, 马文伟 申请人:安徽理工大学