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(jiān)測系統(tǒng)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(huán)境的各種參數(shù)，再通過有線或無線的通信方式發(fā)送到地面監(jiān)控中心分析顯示，并作出相應調(diào)整管理和善后工作的一種技術(shù)手段。該技術(shù)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(jiān)測系統(tǒng)分三個部分，即監(jiān)測中心、遠端信息監(jiān)測采集設備和路由器通信網(wǎng)絡。

1 系統(tǒng)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(chǎn)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(fā)，僅2011年1月至9月，全國煤礦共發(fā)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(jīng)成為煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵問題[2－3]。因此，煤礦人體安全監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)將對保障井下作業(yè)人員的生命財產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實意義。

1.2 研究目標

該系統(tǒng)采用新興的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，通過傳感器采集周圍環(huán)境靜態(tài)參數(shù)和參考節(jié)點與定位節(jié)點對作業(yè)人員的準確定位。針對無線傳感器的發(fā)展和煤礦事故頻發(fā)的特殊問題，提出無線和有線系統(tǒng)相結(jié)合的人體信號的監(jiān)測與定位系統(tǒng)系統(tǒng)，為煤礦的安全生產(chǎn)和事故發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)主要由PC機監(jiān)控界面、分布在礦井坑道之中的定位參考節(jié)點以及佩戴在礦工身上的無線傳感器節(jié)點組成，如圖1所示。

圖1 人體安全監(jiān)測系統(tǒng)框圖

佩戴在礦工身上的無線傳感器節(jié)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(gòu)成，將礦工的脈搏信號采集并通過無線通信模塊發(fā)送到分布在礦井坑道之中的定位參考節(jié)點上。參考節(jié)點將人體脈搏信號連同相對坐標信號等數(shù)據(jù)重組后通過RS232發(fā)送到PC機上實時顯示，便于地面人員監(jiān)控。

2 相關(guān)模塊設計

2.1 主控模塊及接口電路設計

該系統(tǒng)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(nèi)核具有強大的數(shù)據(jù)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(jié)點與參考節(jié)點的通用性，該系統(tǒng)預留的多個用于擴展的I/O口。另外，該系列單片機內(nèi)部集成了用于模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)的采集

該系統(tǒng)中脈搏數(shù)據(jù)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(wěn)定性、低吸濕性、高熱穩(wěn)定性、高抗紫外線輻射能力、高耐沖擊、耐疲勞能力、壓電系數(shù)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(jīng)過電荷放大、適調(diào)放大器、濾波、信號整形及光耦合后傳送到監(jiān)控中心。

2.3 傳感器節(jié)點設計

無線傳感器的節(jié)點由分布在礦井坑道之中的定位參考節(jié)點以及佩戴在礦工身上的無線傳感器節(jié)點組成。定位節(jié)點使用的是內(nèi)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(tài)參考節(jié)點使用的是符合2.4 GHz IEEE802.15.4標準的射頻頻段、250 Kbps數(shù)據(jù)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(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)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(qū)的狀態(tài)，緩存區(qū)中有接收數(shù)據(jù)，F(xiàn)FIO引腳電平為高，直到整幀數(shù)據(jù)完全接收或接收緩存區(qū)的數(shù)據(jù)超過臨界值時輸出高電平時，F(xiàn)IFOP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(qū)中無數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換的通道。

圖4 MSP430與CC2420接口

2.5 Zigbee模塊的軟件設計

系統(tǒng)無線傳感器模塊采用的新興的ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)。用ZigBee無線網(wǎng)絡通信協(xié)議開發(fā)的傳感器節(jié)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(tǒng)中礦工佩戴的定位節(jié)點內(nèi)嵌于礦工的安全帽中，由礦燈電池供電。在礦井的巷道內(nèi)每隔一定距離就會安置一個無線傳感器參考節(jié)點，由這些無線傳感器參考節(jié)點構(gòu)成一個分布式無線通信網(wǎng)絡，將礦工所佩戴的定位節(jié)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(jiān)控中心。系統(tǒng)驅(qū)動程序主要包括CC2420通信程序設計、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信及CC2431片上系統(tǒng)解決方案的兼容，完成定位功能。

數(shù)據(jù)的發(fā)送處理主要是將數(shù)據(jù)進行IEEE802.15.4協(xié)議數(shù)據(jù)幀的封裝處理，然后利用SPI總線驅(qū)動進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。CC2420通信程序設計流程如圖5所示。

圖5 CC2420發(fā)射和接收流程圖

數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計使用的是CC2420與MSP430FG4618實現(xiàn)的，其流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集節(jié)點流程圖

定位節(jié)點通過接收定位區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點的RSSI值后，經(jīng)過定位算法來計算其坐標位置。定位節(jié)點由CC2431芯片實現(xiàn)，其流程圖如圖7所示。

圖7 定位節(jié)點流程圖

3 結(jié)論

該系統(tǒng)將無線的Zigbee網(wǎng)絡通信技術(shù)與有線的RS232通信技術(shù)有效結(jié)合，成本低，效率高，易于設備的安裝與維護，實現(xiàn)了地面監(jiān)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(jiān)控。一旦礦井下發(fā)生透水、坍塌等事故時，地面監(jiān)控人員可以通過監(jiān)控界面及時了解到井下工作人員發(fā)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(yè)的發(fā)展，為煤礦的安全生產(chǎn)提供更加有力的保證。

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