矿工便携式安全仪.pdf

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。

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)，通过连接RS232/USB转换器配置成USB端口实现数据的有线传输。

矿工便携式安全仪
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，因此对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情况、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，难以与井上或隧道外进行有效的联络。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决传输信号减弱等问题
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、无法随时检查报警器的工作情况、无法提供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、瓦斯等的传感器结合，使井上或隧道外指挥中心可以随时了解井下或隧道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：
—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及温度、湿度、瓦斯等传感器连接，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；
—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：首先通过键盘电路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，通过耳麦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输方式，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、瓦斯等环境因子的采集，还可以采集图像信息，实现图像、语音通信功能，即实现了现场语音和图象信息的传送，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，由于本安全仪具有低成本、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，克服了信号传输中电磁干扰的影响和传输距离的限制，保证了数据传输的准确性。
附图说明
图1为本发明所提供一个实施例的电路框图；
图2为本发明所提供一个语音和视频通信电路的电路框图；
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，但实施例不是对本发明的限制。
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1，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0.8μA，即使在2.2V、1MHz条件下工作的电流只有280μA，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1MIPS；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；提供P1.0-P6.0共6个数据端口，为系统存储电路、显示电路和无线射频模块功能的连接提供了足够的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块传输信息；
存储电路2，采用USB接口，外接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，采用电容进行滤波处理，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、瓦斯传感器既可利用通常置于井下的传感器，也可由矿工自带，温湿传感器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；另提供至少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，它完全集成了语音编码和解码功能，实现了单芯片语音处理的能力，外围设备简单，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1个比特表示，输出的是串行比特流，可以直接送入射频芯TRF6900进行传输，它具有低功耗、低价位、小体积和开发难度低等多种优点。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，在耳机接收时通过滤波器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850-950MHzISM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2.2V-3.6V；3)待机电流5A，工作电流50mA；4)数据传输最高速率50Kbps。TRF6900可以基本满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，可以利用电池进行供电。
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，信号转发距离1000-5000米。
耳麦8，用于采集和接收语音信号。
无线视频传输模块9，采用北京蓝波视讯科技有限公司推出的OEM模块组，其主要性能如下：多频段直接变频技术：150～900MHz、1.0G～1.7GHz、2.3G～2.7GHz；多带宽COFDM调制技术：8MHz、4MHz、2MHz(可选)；多模式视频压缩：MPGE4兼容MPEG2(拨码选择)；高接收门限电平：灵敏度-103dBm(10-6BER@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频道选择：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；支持非视距(NLOS)传输。该模块组通过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10，该电源包括电池供电和外部电源供电两种接口，由于整个系统采用3.3V供电，为了保证电源的稳压功能和纹波小等性能，系统采用TI公司的TPS76033芯片实现。
报警电路11，当现场数据出现异常时，显示模块闪烁，为矿井工人提供报警功能。
串口电路12，可以提供一个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(STOP)、复位键(RESET)。
显示模块14，采用MGLS-240128模块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，降低系统功耗。本实施例其它部分同实施例1。