邓优林，刘海妹，傅 巍

（湖南安全技术职业学院，湖南 长沙 410151）

近些年来，随着安全意识的不断提高，对矿井作业的安全设备提出了新的需求，迅速采集矿井各数据参数，将其及时传递到地面的监控中心，并在危险的情况下，及时通知施工人员撤离，显得越来越有现实价值。ZigBee技术是一种短距离的无线通信方式，功耗较低，成本低廉，因此很适合进行矿井无线数据传输。

此外，通过ZigBee组建传感器无线通信网络，将数据通过中心节点转发给地面控制中心，也很容易设计；还可以通过增加本地语音播报模块，在判断温度过高、瓦斯浓度较大时，及时进行声音播报，警示人员尽快撤离危险区域，将事故发生率降到最低。

1 总体方案

1.1 ZigBee技术简介

在通信技术迅猛发展的今天，无线通信技术已经不再是新的名词，作为通信领域的一个重要分支，包括WiFi、RF、4G/5G及Bluetooth等。这些无线通信技术各有特色，应用范围也很不一样，总体来讲，都普遍存在着功耗较大、价格相对较高等劣势。ZigBee属于无线通信技术的一种，一般传输距离在10～75 m，因为其超低功耗、通信距离适中、低复杂度、低成本等优势，正逐步被应用到各种环境数据采集及无线传输当中。

此外，因为协议遵从802.15.4国际标准，各个传感器之间很容易进行组网，将有效数据以无线接力的方式，逐步传递到远端监控节点，实现了即使很低功耗也能进行可靠传输的通信方式。

1.2 系统总体结构

本系统设计的智能头盔系统主要包括两大部分，即矿下智能头盔数据采集网络和地面控制中心，如图1所示。

1.2.1 终端节点

终端节点主要表现形式为智能头盔，内部包含ZigBee无线控制器、温湿度传感器及瓦斯浓度检测传感器等。

图1 系统架构图

1.2.2 网络协调器

网络协调器也是由ZigBee通信模块组成，它的主要作用是组建网络，通过扫描周围的无线节点，选择合适的参数，进行ZigBee网络的建立。

1.2.3 路由转接器

路由转接器负责地面有线通信与地下无线通信的数据转接，由独立的MCU控制器组成，它既可以将ZigBee获取到的数据转换成有线的方式，上传到地面监控中心，也可以将受到的控制命令通过串口通信的方式发送给ZigBee模块，后者以无线数据方式发送给网络协调器，进行转发。

1.2.4 地面控制中心

地面控制中心主要是以上位机的形式运行特定的监控软件，实时更新显示各个终端节点的数据，在有异常时，及时下发控制指令，进行危险报警通知。

2 硬件设计

2.1 整体框图

ZigBee智能硬件头盔主要包括如下几个部分：ZigBee模块CC2430、瓦斯浓度传感器、温湿度传感器、无线收发模块、语音播报模块等。整个系统的硬件框图如图2所示。

图2 整体硬件框图

2.2 CC2430系统

CC2430是TI公司设计开发的一款ZigBee芯片，内部集成无线通信协议栈，可以根据设计需要，在多种模式下灵活切换。它遵循802.15.4 ZigBee国际标准，主要的工作频段为2.4 GHz。该芯片除了正常工作模式下消耗电流27 mA外，绝大部分时间都工作在低功耗模式下，电流消耗低至0.6 μA，这给头盔的电能续航带来了很大的帮助。此外，该款芯片具有丰富的I/O资源及内部AD转换器，这就使得该芯片很容易外接各类传感器，进行数据采集。本系统选用CC2430作为Zigbee无线通信的核心处理器，配合外部的传感器进行数据采集。它功耗低，很容易组建无线通信网络，对于矿井智能头盔来说，是一个很好的选择。

2.3 CC2591

CC2591的主要作用是提高无线通信的发射功率。考虑到在地下矿井中信号的强度不够，可能会影响无线通信的连接稳定性，它只需要很少的外围器件就可以正常工作，与CC2430的通信接口也很简单，设计方便。通过该方式，可以将CC2430的射频功率提高6 dBm，保证了无线通信的可靠性。

2.4 温湿度传感器

本设计选用的温湿度传感器类型为SHT11，它是一种数字形式输出、集成度很高的芯片，具有功耗较低、测量准确、稳定性强等优点。该芯片内部集成了I2C通信接口、信号调理放大、传感器前端及模数转换电路，工作时的电流大致为28 μA，进入睡眠时可以降低到3 μA，完全可以满足矿井温湿度环境检测的要求。SHT11与MCU接口很简单，只需要数据线DATA及时钟线SCK即可。

2.5 瓦斯浓度传感器

瓦斯浓度传感器的种类有很多，本文选用的MJC4/3.0L传感器属于热效应式类型，其内部的检测电阻会随着瓦斯燃烧时释放热量的增加而发生变化，即输出电压反映了空气中瓦斯的浓度变化。该种类型的传感器检测精度较高，输出电压信号大，1%的瓦斯浓度可以引起输出电压15～20 mV的电平变化，同时也可以不受灰尘及湿度等环境因素的影响。在本设计中，为了进一步提高瓦斯浓度的检测准确性，将传感器输出的毫伏级小信号经过AD623差分放大，从而提高系统检测的可靠性。

2.6 语音播报功能

在检测到环境瓦斯浓度超标、温湿度检测超标时，需要进行语音播报提醒。本设计中的语音提醒模块，主要是基于ISD4004进行设计，其内部可以录制8～16 min的语音，具有很高的集成度，包含振荡器、滤波器、音频放大器等多个部分。因为对音频信号采用模拟量直接存储的方式，采样数值存储在内部的FLASH中，声音具有很高的真实性。此外，所有的语音控制都是基于SPI接口来通信，与外部的MCU通信非常方便。通过该语音芯片，可以实现“瓦斯浓度超标危险”“温度过高危险”等语音提醒功能。

3 结束语

本文主要是基于当前矿井作业时安全事故频发的背景，提出了一种将多传感器技术及无线通信技术融入到头盔的设计方法，通过复用头盔的电源，从而使头盔实现智能化。在进行电路设计时，需要考虑整个系统的功耗设计、环境恶劣情况，选择最优的传感器及无线通信方案。ZigBee无线通信技术，正是基于低功耗的传感器网络而研发设计，通过对矿井的数据采集，及时将实时数据发送到地面控制中心，完成了整个监控系统的实时监测功能。此外，该系统还带有语音播报功能，当监测到环境比较危险时，及时提醒施工人员进行安全控制，从而最大限度地减少了灾难事故的发生。