基于物聯(lián)網(wǎng)的無線礦井災(zāi)害人員搜救系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉忠富

摘 要： 基于RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的無線礦井災(zāi)害人員搜救系統(tǒng)。在發(fā)生礦難時(shí)，搜救人員通過手持搜救器，可以搜索有效檢測(cè)范圍內(nèi)被困礦工的位置信息，監(jiān)測(cè)礦工體溫，心率等參數(shù)信息，利用ZigBee無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單直觀，使用方便，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，并且易于修改，具有很好的可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞： 礦井搜救； 物聯(lián)網(wǎng)； RFID； ZigBee； CC2430

中圖分類號(hào)： TN911?34； TD65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）23?0022?03

Design of IOT?based wireless staff search and rescue system for mine disaster

LIU Zhongfu

（College of Information & Communication Engineering， Dalian Nationalities University， Dalian 116600， China）

Abstract： On the basis of RFID technology and ZigBee technology， the wireless staff search and rescue system based on Internet of Things （IOT） was designed for mine disaster. In the event of a mine disaster， rescuers can search the location information of the trapped miners within the effective detection range， monitor the body temperature， heart rate and other parameters of the miners by means of the hand?held search and rescue device， and then transmit the information to the data management center with ZigBee wireless technology. The design of the monitoring system is simple and intuitive， and easy to use. The hardware configuration of the system is simplified and easy to modify. The system has good scalability.

Keywords： mine?based search and rescue； Internet of Things； RFID； ZigBee； CC2430

0 引 言

近年來，煤礦井下災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，發(fā)生災(zāi)害后，井下被困人員與地面人員的信息聯(lián)系被切斷，地面人員難以掌握被困人員的身體狀況及準(zhǔn)確位置信息[1]。傳統(tǒng)的措施是組織搜救人員進(jìn)入礦井下，對(duì)被困人員進(jìn)行搜救。但由于信息溝通不及時(shí)，搜救人員很難實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到井下工作人員的分布情況，災(zāi)害搜救的效率很低，同時(shí)，井上人員也難以掌握搜救人員的位置信息及搜救情況[2]。因此，精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)被困人員并且對(duì)其進(jìn)行精確定位，同時(shí)及時(shí)掌握搜救信息成為災(zāi)害發(fā)生后搜救成功與否的關(guān)鍵所在。

礦井發(fā)生災(zāi)害后，井下所有供電都切斷，原有的礦井人員定位裝置不能正常工作，但由于礦工攜帶的RFID射頻卡是鋰電池供電，因此仍然在工作[3]。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了無線礦井災(zāi)害人員搜救系統(tǒng)，搜救人員利用手持的搜救裝置，可以搜索有效檢測(cè)范圍內(nèi)被困礦工的位置信息，監(jiān)測(cè)礦工身體狀況信息，利用ZigBee無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心，使災(zāi)害搜救能及時(shí)有效的進(jìn)行。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由被困礦工攜帶的RFID射頻卡、搜救人員手持設(shè)備（包括RFID讀卡部分、ZigBee部分）和井上數(shù)據(jù)管理中心組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

正常情況下，井下人員定位系統(tǒng)正常工作。發(fā)生災(zāi)害時(shí)，井下斷電，人員定位系統(tǒng)停止工作。但礦工攜帶的RFID射頻卡由于是鋰電池供電，仍然可以正常工作，不斷采集人體生命體征信息并發(fā)送信息。搜救人員攜帶的搜救設(shè)備不斷發(fā)出信號(hào)激活其信號(hào)覆蓋區(qū)域的射頻卡，并采集出射頻卡內(nèi)礦井人員的身份信息編碼，同時(shí)，搜救人員手持設(shè)備還具有ZigBee組網(wǎng)功能，不同搜救人員手持設(shè)備可以迅速組網(wǎng)，發(fā)送搜救人員位置信息到井上數(shù)據(jù)管理中心，數(shù)據(jù)管理中心收到此信息后，利用基于LabVIEW的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井搜救人員以及被困礦工實(shí)時(shí)監(jiān)控，分析計(jì)算被困人員所在的位置。

2 搜救人員手持搜救器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

搜救人員手持搜救器系統(tǒng)以低功耗單片機(jī)LPC935為核心，使用1.2 V鋰電池供電，系統(tǒng)包含電源升壓電路，以nRF905為核心的RFID讀卡電路、ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路以及觸摸屏人機(jī)接口電路。系統(tǒng)運(yùn)用射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)被困人員位置等信息進(jìn)行近距離采集，然后結(jié)合ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1 電源升壓電路

搜救器系統(tǒng)采用1.2 V鋰電池供電，而LPC935單片機(jī)、nRF905射頻發(fā)射電路等模塊電壓都是3.3 V，因此需要將1.2 V電池供電電壓升到3.3 V的電壓，供給系統(tǒng)各部分作為電源。電壓升壓電路選用ON Semicondutor公司生產(chǎn)的NCP1400ASN30T1G電源芯片[4]。其應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3中，輸入電容[C7]值為10 μF，其作用是穩(wěn)定輸入電壓，并且可使電源的峰值電流波紋最小。輸出電容[C4]的作用是在芯片內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通時(shí)維持輸出電壓及消除波紋。二極管D3應(yīng)滿足正向電壓低、反向恢復(fù)時(shí)間短以及反向電壓高于輸出電壓等特點(diǎn)，因此選擇IN5819或IN4148。電感[L1]取22 μH，電感的直流電阻越小，轉(zhuǎn)換效率越高。

2.2 RFID讀卡電路

RFID讀卡電路完成對(duì)其覆蓋范圍內(nèi)的被困礦工射頻卡信息讀取的功能，其電路圖如圖4所示。讀卡電路以nRF905為核心[5]，整個(gè)電路包括時(shí)鐘振蕩電路、天線匹配網(wǎng)絡(luò)、電源濾波及保護(hù)電路。時(shí)鐘振蕩電路晶振為16 MHz，ANT1和ANT2為天線連接引腳，外接單天線終端裝置。nRF905采用全向天線[6]。系統(tǒng)采用單端連接的50 Ω阻抗天線，因此，在芯片天線連接引腳和天線之間加一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)。

2.3 ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)采用CC2430作為主控芯片[7]，電路如圖5所示，RF輸入/輸出是高阻抗、差分信號(hào)，RF端口的最佳差分負(fù)載是18j+115 Ω，為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，設(shè)計(jì)采用低成本的電感電容實(shí)現(xiàn)，采用[C341，L341，L321]和[L331]以及一個(gè)PCB微帶傳輸線，這將匹配RF輸入/輸出為50 Ω。天線的類型是標(biāo)準(zhǔn)的折疊偶極子，偶極子有一個(gè)虛接地點(diǎn)，因此提供偏置不會(huì)影響天線的性能[8]。偏置電阻是[R221]和[R261，]偏置電阻[R221]用于為32768晶振提供一個(gè)精密的偏置電阻，而在晶振的設(shè)計(jì)上采用了兩個(gè)晶振的選擇性使用，外部32 MHz晶振XTAL1有兩個(gè)負(fù)載電容（[C191]和[C211]），XTAL2是一個(gè)可選用的32.768 kHz晶振。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

搜救器系統(tǒng)用于井下被困人員攜帶的射頻卡的數(shù)據(jù)采集，一方面搜救器系統(tǒng)不斷發(fā)出RFID聯(lián)絡(luò)信號(hào)激活通過其信號(hào)覆蓋區(qū)域的射頻卡并建立同步，采集出射頻卡內(nèi)被困礦井人員的身份信息，另一方面搜救器系統(tǒng)通過接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將代表礦井巷道地理位置的搜救器編碼連同采集到的人員數(shù)據(jù)一起發(fā)送至地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

搜救器系統(tǒng)通信程序框圖如圖6所示。搜救器每10 s發(fā)送一次幀頭為0xFF的廣播信號(hào)，一方面激活進(jìn)入搜救器信號(hào)覆蓋區(qū)的射頻卡，另一方面與射頻卡建立同步或定時(shí)器校準(zhǔn)[9]。為了保證所有射頻卡都能收到同步信號(hào)，這里令基站每10 s都連發(fā)兩次廣播信號(hào)。由于廣播信號(hào)不需要接收射頻卡的應(yīng)答信號(hào)，廣播信號(hào)發(fā)送完畢后，搜救器的nRF905由發(fā)送模式轉(zhuǎn)換為接收模式，準(zhǔn)備接收射頻卡的RTS請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)超時(shí)退出計(jì)數(shù)器，以便10 s后再次發(fā)送廣播信號(hào)[10]。

圖6 搜救器系統(tǒng)程序框圖

4 結(jié) 語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了無線礦井災(zāi)害搜救系統(tǒng)。系統(tǒng)采用RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)，可以在礦井發(fā)生災(zāi)害后，利用搜救人員手持的搜救器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被困礦工的身體信息及位置信息，同時(shí)把搜救信息上傳到地面監(jiān)控中心。本系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值，可以推廣到火災(zāi)、地震等特殊工作現(xiàn)場(chǎng)搜救系統(tǒng)中。

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