煤礦人體安全監測系統設計

張 任 張亞南

(塔里木大學信息工程學院，新疆阿拉爾843300)

煤礦人體安全監測系統是通過無線終端設備采集井下礦工的各種生理指標和礦井下環境的各種參數，再通過有線或無線的通信方式發送到地面監控中心分析顯示，并作出相應調整管理和善后工作的一種技術手段。該技術集信息采集、無線通信、定位查找于一體，充分解決控制中心與礦道互通信息不變的問題。煤礦安全監測系統分三個部分，即監測中心、遠端信息監測采集設備和路由器通信網絡。

1 系統概述

1.1 研究意義

煤礦安全，特別是礦井礦道中的人員安全是煤礦生產中面臨的最主要問題。

近年來，煤礦井下瓦斯爆炸、礦道透水、坍塌等事故頻發，僅2011年1月至9月，全國煤礦共發生死亡事故892起、死亡1 419人，僅2011年11月云南師宗縣私莊煤礦事故已造成34人遇難，井下人體安全已經成為煤礦產業發展中亟待解決的關鍵問題[2－3]。因此，煤礦人體安全監測系統的開發將對保障井下作業人員的生命財產安全具有重要的現實意義。

1.2 研究目標

該系統采用新興的Zigbee無線傳感器網絡技術，通過傳感器采集周圍環境靜態參數和參考節點與定位節點對作業人員的準確定位。針對無線傳感器的發展和煤礦事故頻發的特殊問題，提出無線和有線系統相結合的人體信號的監測與定位系統系統，為煤礦的安全生產和事故發生后的搜救工作提供可靠的保證。

1.3 總體設計方案

該煤礦人體安全監測系統主要由PC機監控界面、分布在礦井坑道之中的定位參考節點以及佩戴在礦工身上的無線傳感器節點組成，如圖1所示。

圖1 人體安全監測系統框圖

佩戴在礦工身上的無線傳感器節點主要由壓電式脈搏傳感器和集成RSSI衰減定位功能模塊兩部分構成，將礦工的脈搏信號采集并通過無線通信模塊發送到分布在礦井坑道之中的定位參考節點上。參考節點將人體脈搏信號連同相對坐標信號等數據重組后通過RS232發送到PC機上實時顯示，便于地面人員監控。

2 相關模塊設計

2.1 主控模塊及接口電路設計

該系統主控模塊采用的是MSP430FG461x系列微處理器。該處理器以超低功耗著稱，16位高效RISC內核具有強大的數據計算功能、還具有6us的超低功耗喚醒模式、強大的中斷、外圍模塊、無需外擴總線等功能[4－5]。

為了適應礦道這種特殊場合以及提高定位節點與參考節點的通用性，該系統預留的多個用于擴展的I/O口。另外，該系列單片機內部集成了用于模數轉換的12位ADC模塊，并且提供了5個8位的I/O口(P0～P4)，且每個I/O口可作為獨立的中斷源，又可獨立進行編程。圖2為串口電路，可以用來與S3C2410處理器進行通信。

圖2 串口電路

2.2 脈搏數據的采集

該系統中脈搏數據采集模塊采用的是最新型的高分子電壓材料PVDF(聚偏氟乙烯)傳感器，PVDF具有化學穩定性、低吸濕性、高熱穩定性、高抗紫外線輻射能力、高耐沖擊、耐疲勞能力、壓電系數大頻響寬、聲阻抗接近人體組織和水，它可以對人體的各種生理信號進行采集測量[6－7]。該傳感器將采集來的人體體征信號經過電荷放大、適調放大器、濾波、信號整形及光耦合后傳送到監控中心。

2.3 傳感器節點設計

無線傳感器的節點由分布在礦井坑道之中的定位參考節點以及佩戴在礦工身上的無線傳感器節點組成。定位節點使用的是內嵌8051處理器、具有無線定位跟蹤引擎、誤差不超過3米的CC2431。靜態參考節點使用的是符合2.4 GHz IEEE802.15.4標準的射頻頻段、250 Kbps數據傳輸率、高靈敏度、低功耗的CC2420，CC2420外圍電路如圖3所示。

圖3 CC2420的外圍電路

2.4 CC2420接口設計

如圖4是CC2420與處理器MSP430FG4618的接口連接圖。從圖中我們可以看到，它收發數據的狀態使用CCA、FIFOP、FIFO、SDF引腳表示，其中，引腳FIFOP和FFIO用于表示接收FIFO的緩存區的狀態，緩存區中有接收數據，FFIO引腳電平為高，直到整幀數據完全接收或接收緩存區的數據超過臨界值時輸出高電平時，FIFOP引腳輸出高電平，該臨界值可以由用戶通過CC2420的寄存器自行設置。假如緩存區中無數據接收，則FFIO引腳電平為低。SDF引腳在CC2420收到物理幀的SFD字段后，則輸出高電平，直到整幀數據完全接收。如果地址辨識被啟動但辨識失敗，則該引腳電平為低。SPI接口是MSP430FG4618微處理器與CC2420數據交換的通道。

圖4 MSP430與CC2420接口

2.5 Zigbee模塊的軟件設計

系統無線傳感器模塊采用的新興的ZigBee無線網絡技術。用ZigBee無線網絡通信協議開發的傳感器節點模塊機身小巧，功耗較低，適用于電池供電的場合[8－10]。該系統中礦工佩戴的定位節點內嵌于礦工的安全帽中，由礦燈電池供電。在礦井的巷道內每隔一定距離就會安置一個無線傳感器參考節點，由這些無線傳感器參考節點構成一個分布式無線通信網絡，將礦工所佩戴的定位節點采集的人體脈搏信號連同相對坐標值一同接收并傳送至地面監控中心。系統驅動程序主要包括CC2420通信程序設計、數據采集程序設計以及定位程序設計。主要用于解決MSP430FG4618微處理器與CC2420的數據通信及CC2431片上系統解決方案的兼容，完成定位功能。

數據的發送處理主要是將數據進行IEEE802.15.4協議數據幀的封裝處理，然后利用SPI總線驅動進行數據的發送。CC2420通信程序設計流程如圖5所示。

圖5 CC2420發射和接收流程圖

數據采集節點設計使用的是CC2420與MSP430FG4618實現的，其流程圖如圖6所示。

圖6 數據采集節點流程圖

定位節點通過接收定位區域內所有參考節點的RSSI值后，經過定位算法來計算其坐標位置。定位節點由CC2431芯片實現，其流程圖如圖7所示。

圖7 定位節點流程圖

3 結論

該系統將無線的Zigbee網絡通信技術與有線的RS232通信技術有效結合，成本低，效率高，易于設備的安裝與維護，實現了地面監控人員對礦井下工作人員的人體體征信號及井下分布情況的實時監控。一旦礦井下發生透水、坍塌等事故時，地面監控人員可以通過監控界面及時了解到井下工作人員發分布位置及當前的身體狀況，以便于及時、有效、合理的安排搜尋及救助工作，促進礦井安全管理事業的發展，為煤礦的安全生產提供更加有力的保證。

[1] BRATAIUN T，Clarke M.Optimum Design of RemotePatient Monitoring Systems[C] .Engineering in Medicine and Biology Society，2006.EMBS 06.28th Annual International Con－ference of the IEEE.2006，8，8:6465－6468.

[2] 瞿雷，一種新的無線網絡通訊技術ZigBee[J] .單片機與嵌入式系統應用，2006，01(7):42－45.

[3] 吳宗之等，工業危險辨識與評價[M] ，北京:北京氣象出版社，2005.

[4] 麥冬等，基于SPCE061A單片機控制的直流恒流源的設計[J] .塔里木大學學報，2010(3):42－46.

[5] 陳寶智.危險源辨識控制及評價[M] ，成都:四川科學技術出版社，2004.

[6] SU San，L.Mitchell，PIL S.Park.Terminal Care for Persons with Advanced Dementia in the Nursing Home and Home Care Settings，Journal of Palliative Medicine，2004，06:808－816.

[7] Smart RF CC2420 PRELIMINARY Datasheet[S] .AS Chipcon Oslo，Norway，2004.

[8] 龔國強，葛萬成.基于IEEE 80215.4 MAC協議電能量自動抄表系統[J] .同濟大學學報(自然科學版)，2008，10(06):47－50.

[9] 李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰[M] .北京:北京航空航天大學出版社，2008:246－256.

[10] 周鵬，牛榮，陳立平.利用Delphi開發電子秤串行通訊程序[J] .塔里木大學學報，2002(3):33－36.