面向人員定位管理系統的生命體征監測關鍵技術研究

魏 峰 1，2，3

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 北京 100013；2.北京市煤礦安全工程技術研究中心 北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 北京 100013）

煤炭是我國的主要能源，是國民經濟發展的重要支撐。煤炭開采業一直都是我國的重要的基礎產業。隨著社會的進步和國民經濟的快速發展，近些年煤炭的開采量呈逐年大幅上升的趨勢，從事煤炭開采行業的人員數量激增，據不完全統計，截止2013年底，我國從事煤炭采掘行業的人數達到約525萬人，其中井下作業人員約304萬人，采掘一線人員約170.71萬人。

面對如此龐大的勞動人群，煤礦安全保障卻顯得力不從心，近幾年，我國煤礦的百萬噸死亡率一直居高不下，是美國的160備，是發展中國家印度的10倍，煤礦開采業也逐步成為10大高危行業之首[1]，因此，煤礦的安全生產，尤其是保障礦工的人身安全是煤礦生產的重中之重。

近幾年，隨著煤炭行業“六大系統”的推廣應用，全國絕大多數煤礦都已安裝人員定位管理系統，而且隨著科技的進步，井下人員的精確定位技術也得到了長足的發展，從一定程度上保障了井下作業人員的人生安全。但是，目前的人員定位管理系統只能提供井下作業人員的位置信息，個人的體征信息，如心率、體溫、姿態等卻無法獲取，此領域的研究在國內尚屬空白。礦井環境復雜多變、地勢起伏不平，容易發生人身傷害事故，而某些作業地點只有單人值守，發生事故后往往不能得到及時的救援。

綜上所述，文中將提出一種生命體征監測技術，結合現有的人員管理系統，實時采集礦工體征數據，發生異常時，可將采集數據及時上傳至地面監控計算機，從而確保礦工在生產活動時的人身安全。

1 人員定位系統結構

系統結構如圖1所示，主要組成有：地面監控主機，人員定位分站，人員定位讀卡器，識別卡和生命體征傳感器組成。生命體征傳感器和識別卡基于IEEE802.15.4無線通訊協議收發數據，通訊距離可達10 m，生命體征傳感器為帶狀，系于胸前，實時采集礦工體征數據，當數據發生異常時，主動向識別卡發送數據，體征數據經讀卡器和人員定位分站并同人員位置信息上傳至地面監控中心。識別卡和讀卡器之間同樣使用無線傳輸數據，通訊距離可達500 m。人員定位分站和讀卡器通過CAN總線可自動實時上傳由識別卡采集的傳感器數據。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure of the system

2 生命體征傳感器研制

生命體征監測模塊的結構如圖2所示。其構成主要包括生命體征傳感器、信號調節電路、數據采集、微處理器、內存、電源和無線節點等。傳感器包括體溫、心率和姿態等傳感單元。數據采集處理單元主要負責收集礦工的體溫、心率和姿態等參數信息。微處理器采集、處理各模塊數據。無線發射節點在微處理器的控制下收發數據。

圖2 生命體征監測模塊結構圖Fig.2 Structure of the life sign monitoring unit

2.1 體溫傳感器

體溫傳感器分接觸式和非接觸式兩大類，數十個類型。溫阻式、熱電偶和光纖布拉格光柵（FBG）屬于接觸式傳感器。紅外和超聲傳感器屬于非接觸式傳感器。近幾年，光柵因其具有較高的抗電磁干擾能力、穩定性高、容易生產、使用輕便等諸多優良特性，已經成為一種全新的無源器件廣泛應用于光學傳感領域。煤礦井下環境極為特殊，考慮到傳感器特性以及礦工體溫監測特性，可以選用FBG光柵作為監測礦工體溫參數的傳感器。

隊員體溫傳感器的模型如下，結合麥克斯維爾方程和光纖的耦合模式理論，有FBG的基礎公式運算可得出波長為[2]：

λ是光纖的波長，n是光學有效指數，Λ是光柵周期，T是光柵溫度，ε是軸向應力。

由公式（1）可得：

由公式（1）和（2）可得：

當：

可得:

公式（5）是體溫傳感器的數學模型，這里α是傳感器的靈敏度。由公式（5）可以得出波長變化與體溫變化的對應關系。

溫度傳感器的物理模型如圖3所示。

圖3 溫度傳感器的物理模型Fig.3 The model of temperature sensor

2.2 心率傳感器

傳統的心率測試方法是間接地通過偵測手指去測量人體脈搏。這種測量方法適用于被測對象處于靜止不動的狀態，而不適用于運動中的煤礦工人。鑒于礦工的移動特性，以及FBG傳感器特性，可知FBG傳感器十分適用于監測礦工的實時心率。在常溫或忽略溫度影響的情況下，結合胡克定律、材料力學以及公式（1），可得：

β 是傳感器的靈敏度系數，當 β=λB（1-Pe）。Pe是有效光彈系數。 Pe=0.5n2[（1-ν）P12-P11]，P11，P12是彈性常量，ν 是泊松比。

為了提高心率的監測精度，可以采用一種名為接觸式壓力監測方法。當監測心率時，傳感器被織入編織帶中。然后將編織帶系到胸上，使得傳感器直接接觸胸部皮膚。心跳產生壓力壓迫傳感器，使之產生光纖布拉格光柵（FBG）。光纖的中心波長發生變化，繼而使得礦工的心跳轉化為由中心波長的變化而產生的信號[3]。

心率傳感器的工作原理如圖4所示。

對于摻鍺石英心光纖光纖而言，p11=0.12，p12=0.27，n=1.46，ν=0.17，Pe=0.2187。FBG 的波長取 1 330 nm，1 335 nm，1 340 nm，1 540 nm，1 545 nm，1 555 nm，我們可以通過公式（6）計算出壓力靈敏度系數[4]。結果見表1。

圖4 心率傳感器原理Fig.4 The principle of the heart rate sensor

表1 中心波長與靈敏系數Tab.1 The center wavelength and the sensitivity coefficient

從表1，我們可以看出，當光纖的中心波長變化較小時，壓力靈敏度β的變化也較小。在本文中，FBG傳感器主要用于探測心率，因此，壓力值與中心波長變化之間的關系可以不必考慮。這是FBG傳感器的一種定性的測量應用，因而FBG無需校準。這里我們選取心率傳感器的中心波長為1 555 nm。

2.3 姿態傳感器

姿態探測對于處于特殊環境中的煤礦工人來說是非常重要的。井下道路崎嶇不平，且有非常多的障礙物，當井下事故發生時，往往伴有大量濃煙和有害氣體。礦工有時會因為視線模糊而被障礙物絆倒。在正常生產時有些礦工會誤入危險區域，因氣體中毒而暈倒。如果礦工的姿態可被探測，那么當他摔倒在地時，隨身佩戴的姿態傳感器便可以偵測到，同時將姿態數據通過隨身攜帶的識別卡發射到讀卡器，由人員定位分站上傳至地面監控中心組織營救，這樣可以大大減少受傷礦工的傷亡率。因此，自動姿態探測、報警技術的研究意義重大。

目前，圖像分析方法是主流的姿態探測方法，這種方法在地面獲得了良好的應用。但是在煤礦井下，尤其是在事故發生后的濃煙、粉塵環境里，能見度低，圖像識別技術效果欠佳，圖像識別困難。此外，圖像識別算法復雜，系統龐大，實時性差[5]。加速度分析的方法相對簡單并且具備較高的實時性，本文提出這種依據加速度信號識別礦工姿態的方法。

如圖5所示，當礦工摔倒時，會產生X，Y，Z方向上的加速度，不計傾角、撞擊和隊員生命體征的改變。因此，我們可以依據加速度參數，識別出礦工的身體姿態，但是摔倒方向暫時還不能獲知。三向坐標的加速度信號可用于估計礦工的身體姿態。我們可以利用三軸加速靜態輸出和重力加速度之間的比例關系分析出礦工的身體姿態。身體姿態可以用身體位置與重力加速度之間分離角θ表示[6]。

圖5 礦工姿態空間坐標Fig.5 The miners pose space coordinates

3 試驗效果

為了驗證生命體征監測模型的有效性，我們雇傭了一些志愿者參與測試，將生命體征傳感器系于他們胸部進行測試。試驗結果如下。

圖6 試驗測試曲線Fig.6 Experiment testing curve

從圖6可以看出，測試人員的心率在80 bpm左右，體溫曲線在34度上下，姿態傾角位于-90到0度之間，這說明測試人員處于后仰的姿態，試驗結果符合實際情況。

4 結 論

鑒于煤礦井下環境與煤礦工人人身安全的實際問題，提出了一種基于光纖布拉格光纖（FBG）[7]和三坐標加速度傳感器的生命體征監測技術，并應用此項技術研制了一種生命體征傳感器，使之與煤礦人員定位系統中的識別卡相結合。試驗結果表明本文提出的監測方法切實可行，對于煤礦安全生產具有重大的意義。

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