采礦工人生理狀況監測系統設計

馮 禹，劉 軍

(武警工程大學研究生管理大隊，陜西西安 710086)

采礦工人生理狀況監測系統設計

馮 禹，劉 軍

(武警工程大學研究生管理大隊，陜西西安 710086)

采礦工人生理狀況監測系統是工人礦井下作業時，進行實時、連續、長時間地采集、監測心電、呼吸、體溫、血氧飽和度和體動等參數，并實現數據無線傳輸的系統。針對傳統監控設備對工人狀態掌控缺乏、礦難頻發等重大問題，設計了一款無線、可穿戴、無創、低心理負荷的多參數采礦工人生理狀況監測系統，以便準確地了解井下工人生理狀況，及時預防危險狀況發生，安全順利地完成采礦工作。

無線數據傳輸;生理狀況;監測

近年來，礦難事故的頻繁發生暴露出大部分煤礦監控系統存在著嚴重問題。隨著信息化技術水平的不斷發展，傳統的有線監控設備易損壞、不易移動等缺點的暴露，無線監控系統得到了人們的認可。生理狀況監測系統是解決環境與個人體質兩者關系的最優方案。為提高生產安全，預防和減少損傷，國內外科研人員開發了多種生理狀況監測系統，但設計缺乏針對性且價格昂貴。隨著礦難事故頻發，為準確了解工人的生理狀況，有效預防事故，設計了一種符合采礦工人的生理狀況監測系統。

1 系統總體設計

1.1 設計思路

根據采礦工人井下作業的需要，通過對WBSN技術、ZigBee無線傳輸協議和可穿戴技術的分析研究，在需求分析的基礎上進行總體設計。結合嵌入式開發系統的特點，分別完成硬件和軟件設計，最終進行系統集成，建立一套適用于井下作業實時傳輸的生理狀況監測系統。

1.2 系統組成及工作原理

根據系統的需求分析，遵循模塊化設計原則，將系統分為3大組成部分，分別是生理信息采集和處理模塊、無線收發模塊以及數據監測和顯示模塊。系統整體組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

生理信息采集和處理模塊集成在礦工的衣服上，由礦工按鍵啟動采集指令，主要采集工人的心率、呼吸、體溫等生理參數，采集后的數據經過預處理和數據融合，再通過無線收發模塊發送到數據監測和顯示模塊，數據監測和顯示模塊可對數據進行分析、處理、顯示、存儲和回放。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件電路框圖

通過分析礦工的工作特點，按照層次化設計思想，綜合考慮節點的使用場景、擴展性、穩定性和可靠性等因素，設計硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件電路框圖

2.2 處理器模塊

由于系統主要用于采礦工人生理狀況監測，對系統的安全性、可靠性、體積和功耗等都有較高的要求，因此選擇CC2530芯片。CC2530集成了微處理器、存儲器和射頻模塊，無線自組網絡更靈活，并帶有TI全球唯一地址編碼，可進行有效地跟蹤和定位。

2.3 傳感器單元

2.3.1 心電模塊

心電信號是心臟有規律收縮和舒張過程中心肌細胞產生的原發性信號，它反映心臟興奮的產生、傳導和恢復過程中的生物電變化［1］，可用于檢測各種心律失常、心肌病變、心肌梗塞及心肌缺血等心血管疾病。

根據設計要求，心電采集、放大電路主要由電極采集、前置放大、屏蔽驅動、右腿驅動、低高通濾波、50 Hz工頻陷波、二級運放、電平提升和A/D轉換8部分組成，如圖3所示。

圖3 心電采集、放大電路框圖

2.3.2 呼吸模塊

呼吸信號的檢測電路由激勵源電路、前置放大電路、檢波整流電路、濾波放大電路組成，如圖4所示。首先由激勵源電路產生頻率為62.5 kHz，幅值為2 mA的恒流激勵信號，通過心電電極將恒流激勵信號輸入人體，周期性呼吸運動產生的阻抗變化反映在兩電極之間的電壓變化上，檢測電壓信號，并經過前置放大完成初步放大，利用檢波整流電路提取有用信號，再通過濾波電路濾除多余頻段信號，最后經過放大得到呼吸信號。

圖4 呼吸信號檢測電路

2.3.3 體溫模塊

為保證體溫監測的準確性和可靠性，文中采用三點測溫、外接電源的供電方式，取平均值作為測量體溫。電路連接如圖5所示。

圖5 體溫模塊電路圖

2.3.4 血氧飽和度模塊

采用CSN604血氧飽和度OEM模塊檢測礦工的血氧飽和度，模塊運用光電容積脈搏波描記法［2－5］(Photo Plethysmo Graph，PPG)，建立無創血氧飽和度測量模型，結合朗伯－比爾定律，根據皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等對光的吸收恒定不變，而動脈血液中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對光的吸收量不同的原理，通過帶有傳感器的血氧探頭直接置于體表動脈處進行活體血氧飽和度檢測。其檢測原理如圖6所示。

圖6 血氧飽和度檢測原理圖

2.3.5 體動模塊

采用三維加速度傳感器MMA7260QT實現體動信息的采集。MMA7260QT由兩個表面微加工電容傳感單元(g－cell)和信號調理電路(ASIC)組成。工作原理:g－cell可視為一組連接到可移動中間單元的橫梁。隨著系統運動獲得一個加速度，中間單元偏離平衡位置在兩個固定梁之間移動，連接到中間單元的橫梁也隨之運動，它距一邊固定梁的距離增加，距另一邊固定梁的距離就減少，橫梁上有兩個背對的電容，隨著距離變化電容值也在改變，即:C=Aε/D，其中A是橫梁的面積;ε是介電常數;D是到固定梁的距離。ASIC利用開關電容技術測量g－cell的電容值并根據兩個不同電容值計算出加速度。原理如圖7所示。

圖7 MMA7260QT工作原理圖

2.4 電源模塊

系統選用鋰電池供電，根據各模塊的工作電壓和電流消耗，如表1所示，初步設定連續監測24 h，理論測算并結合實際使用，選擇總容量為1 500 mAh，電壓為3.6 V的鋰電池供電。

表1 各模塊的工作電壓和電流消耗

根據表1各模塊工作電壓，結合3類電源管理芯片的特性，設計出系統電源模塊，如圖8所示。

圖8 系統電源模塊框圖

3 系統軟件設計

系統軟件設計是整個系統實現的關鍵步驟［6－7］，系統的軟件設計分3個部分:復合采集節點程序設計、網絡協調器程序設計和監控中心監測軟件設計。

3.1 復合采集節點程序設計

復合采集節點程序負責生理信號的采集和無線發送，復合采集節點上電后先進行系統初始化操作，然后向網絡協調器發送加入網絡請求，允許加入網絡后進行時間同步調整，與網絡協調器達到同步，再啟動生理信號采集子程序，分別采集工人的心電、呼吸、體溫、血氧飽和度、體動，并將數據發送到網絡協調器上。復合采集節點主程序流程圖如圖9所示。

3.2 網絡協調器程序設計

網絡協調器程序主要管理整個傳感器網絡，負責網絡的建立、節點的加入數據的匯總、處理和分析，并將處理后的數據通過串口傳送到監控中心的計算機，傳遞來自監控中心的消息指令。網絡協調器上電后進行系統初始化，包括端口初始化、定時器初始化、射頻初始化、控制字初始化和中斷設置。建立ZigBee網絡，發送同步消息，使復合采集節點與自身達到同步。等待，接收數據，并判斷數據類型，若為復合采集節點加入網絡請求，則分配網絡地址;若為采集的生理信息，則通過串口將數據傳輸給監控中心計算機。具體流程如圖10所示。

圖9 復合采集節點主程序流程圖

3.3 監控中心監測軟件設計

系統監控中心監測軟件采用Delphi語言編寫，主要用于對所有數據信息進行實時顯示、管理、存儲和回放分析，并可以通過友好界面實現人機交互。程序主界面如圖11所示。

圖10 網絡協調器程序流程圖

圖11 程序主界面

4 結束語

對采礦工人生理狀況監測系統的理論基礎進行了詳實的介紹，設計了系統的總體框架，并對系統的硬件、軟件進行了設計。該系統結合無線軀體傳感器網絡技術、ZigBee技術和可穿戴式技術，能實時監測礦工的生理狀況，采集礦工生理參數，使管理者可根據實時數據監測每名工人的工作強度和工作中心理情緒變化，了解礦工對井下環境的適應能力，及時調整人員，提高工作效率，對防止人員傷亡和意外事故的發生起到了重要作用。

［1］劉克球.生物醫學電子學［M］.北京:北京人民出版社，1988.

［2］馬藝聞.用激光散射方法研究人體外周血液循環［D］.天津:天津大學，2002.

［3］SHEREBRIN M H，SHEREBRIN R Z.Frequency analysis of the peripheral pulse wave detected in the finger with a photoplethysmogragh［J］.IEEE Transactions on BME，1990，37(3):313－317.

［4］壬怡，祁燕，孫立，等.以皮下反射光觀測微循環方法及實用儀器［J］.中國生物醫學工程學報，1994，13(3):255 －259.

［5］馮友賢.血管外科學［M］.上海:上?？茖W出版社，1992.

［6］賴麒文.單片機C語言軟件設計的藝術［M］.北京:科學出版社，2002.

［7］王選.軟件設計方法［M］.北京:清華大學出版社，1992.

Design of Mining Workers'Physiological Status Monitoring System

FENG Yu，LIU Jun
(Graduate School of Management Brigade，Engineering College of Armed Police Force，Xi'an 710086，China)

The mining workers'physiological status monitoring system is a system to realize real-time，continuous and long time detection of workers'ECG，respiration，body temperature，blood oxygen saturation and body movement and to realize wireless data transmission.In view of the lack of control of workers'status by traditional monitoring equipments and the high frequency of mine accidents，we have designed a set of wireless，wearable，and non-invasive multi-parameter physiological monitoring system to display the physiological status of mining workers accurately，to prevent dangers timely，and to achieve a smooth，safe completion of the mining task.

wireless data transmission;physiological status;monitoring

TP277

A

1007－7820(2012)08－096－05

2012-02-29

馮禹(1989—)，女，碩士研究生。通信技術。劉軍(1963—)，男，教授。研究方向:無線數據通信，電子技術應用。