基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井災(zāi)害搜救系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

近年來，國內(nèi)煤礦井下事故時(shí)有發(fā)生，如何加強(qiáng)安全生產(chǎn)和安全監(jiān)督的工作力度，當(dāng)災(zāi)難降臨后如何提高救援和搜救工作效率，是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

礦井由于工作的特殊性，同一位置流動(dòng)性比較大，正常 情況下，礦井人員定位系統(tǒng)可以有效的對(duì)人員進(jìn)行定位 [1]。但 發(fā)生災(zāi)害后，礦井所有的電源都切斷，地面監(jiān)控系統(tǒng)以及搜救 人員很難探測(cè)到被困人員的位置信息及身體狀況信息，隨著物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井災(zāi)害搜救系統(tǒng)， 快速、精確定位被困人員位置信息，具有重要的應(yīng)用價(jià)值 [2]。 

本 文 基 于 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù)，RFID 技 術(shù)、ZigBee 技 術(shù)， LabVIEW 技術(shù)設(shè)計(jì)了礦井災(zāi)害搜救系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的組成和 實(shí)現(xiàn)方法給出了詳細(xì)描述。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用RFID 射頻識(shí)別卡識(shí)別人體的生命特征。系統(tǒng)主要由RFID 傳感模塊、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。

礦井災(zāi)害搜救系統(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。搜救人員也就能接收到被困人員體征信息，從而有目的的快速實(shí)施救援。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。

1.1 被困礦工攜帶RFID傳感終端

礦工數(shù)據(jù)采集終端的主要功能是實(shí)時(shí)采集礦工的生命特征并實(shí)時(shí)上傳給數(shù)據(jù)處理中心。其涵蓋了各種測(cè)量生命體征的傳感器模塊、ZigBee 無線發(fā)射模塊。生命傳感器組成生命體征采集部分：體溫，呼吸，脈搏，血壓等，可利用如脈搏傳感器、體溫傳感器等。信號(hào)采集完成后經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換、放大等處理后傳給微控制器，再通過ZigBee 無線發(fā)射模塊傳給坑道轉(zhuǎn)換設(shè)備或上方數(shù)據(jù)處理中心[3]。

為了盡可能的減少損耗，延長使用時(shí)間，傳感器節(jié)點(diǎn)選用低功耗的單片機(jī) LPC932 作為微控制器，選用NRF905 無線發(fā)射器作為數(shù)據(jù)傳輸模塊，TFT 液晶觸摸屏作為界面顯示。系統(tǒng)采用NCP1400ASN30T1G 升壓芯片，把 1.2 V 電壓提升到3.3 V 供給系統(tǒng)各部分作為電源。設(shè)計(jì)方案示意圖如圖 2 所示。

1.2 搜救人員搜救器系統(tǒng)

搜救人員進(jìn)入生命體征檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的射頻區(qū)域覆蓋范圍時(shí)， 就會(huì)接收到RFID 射頻卡節(jié)點(diǎn)的體征信息，搜救人員也就能接收到被困人員的體征信息，這樣不僅能有目的的快速實(shí)施救援，同時(shí)也通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)送信息[4]。

RFID 讀卡部分接收到身份信息傳給ZigBee 組網(wǎng)模塊， 組網(wǎng)模塊將身份數(shù)據(jù)處理成LCD 液晶屏顯示的字符串再傳給LCD 液晶屏并控制其顯示，組網(wǎng)模塊通過快速自組網(wǎng)不同于搜救人員手持設(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，ZigBee 核心芯片采用CC2430，其核心電路如圖 3 所示。

CC2430 外圍擴(kuò)展電路在器件的數(shù)量上很少，具有代表性的外圍擴(kuò)展電路如圖 3 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)最佳的性能，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[5]。

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 [6]。

2 基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)管理中心系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理中心采用LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)無線搜救系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件。上位機(jī)通過ZigBee 模塊實(shí)時(shí)接收和監(jiān)控每個(gè)搜救節(jié)點(diǎn)的搜救信息，如果收到節(jié)點(diǎn)發(fā)來救援目標(biāo)的求救信息，馬上通過上位機(jī)顯示搜救人員附近救援目標(biāo)的位置、狀態(tài)和體溫等生命體征，通知搜救人員，為搜救工作的順利展開提供幫助。

2.1 前面板設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前面板如圖 4 所示，基于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，前面板主要由三個(gè)部分組成[7]。

(1) 串口接收部分（在系統(tǒng)下方）。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，VISAresource控件可實(shí)現(xiàn)COM口選擇，以便準(zhǔn)確接收ZigBee接收模塊傳遞的信息 ；也可以實(shí)現(xiàn)接收延時(shí)調(diào)整、讀取內(nèi)容顯示等功能。系統(tǒng)開始工作，點(diǎn)擊開始按鈕，即開始接收串口信息。

(2) 搜救目標(biāo)信息的顯示區(qū)（在系統(tǒng)左側(cè)）。當(dāng)搜救節(jié)點(diǎn)沒有搜索到目標(biāo)時(shí)，體溫顯示為 0，一旦搜索到目標(biāo)，目標(biāo)所在節(jié)點(diǎn)的體溫就會(huì)顯示，且隨目標(biāo)的體溫變化實(shí)時(shí)顯示，直到達(dá)到監(jiān)控搜救目標(biāo)生命體征的目的。

(3) 目標(biāo)位置直觀顯示區(qū)（在系統(tǒng)右側(cè)）。當(dāng)搜救目標(biāo)在兩名搜救人員附近時(shí)，相應(yīng)搜救人員手持設(shè)備即可以搜索到目標(biāo)的生命體征信息，在前面板中相應(yīng)位置的指示燈會(huì)發(fā)光，即可判斷目標(biāo)位置，當(dāng)體溫不正常時(shí)，長方形指示燈會(huì)報(bào)警，以便搜救人員有目的的進(jìn)行救援[8]。

2.2 框圖程序的設(shè)計(jì)

框圖程序是一種解決編程問題的圖形化方法， 實(shí)際上是Vl 的程序代碼。圖 5 所示為本系統(tǒng)的框圖程序[9]。類似于傳統(tǒng)電路， 程序框圖中各種元件的數(shù)據(jù)連接端口相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器電路的接口，用來實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。

首先， 由串口 接 收 部分接收到下位機(jī)傳遞的 信息，即搜救節(jié)點(diǎn)傳回的 搜救信息，之后，利用字 符串的提取、轉(zhuǎn)移，字符 的比較等函數(shù)，如條件函 數(shù)、循環(huán)函數(shù)等，提取出 接收的字符串中的有用信 息，分析搜救人員反饋的 數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)接收、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)反饋，根據(jù)上傳數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前情況， 并在相應(yīng)的位置顯示，控制相應(yīng)的功能控件 [10]。

3 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井搜救系統(tǒng)，可以隨時(shí)掌握每個(gè)礦工的 位置及身體情況。礦井發(fā)生事故后，搜救人員攜帶的設(shè)備會(huì) 激活節(jié)點(diǎn)的體征信息發(fā)送功能，使得搜救人員能接收到被困 人員的體征信息及位置信息，從而有目的的制定搜救策略，快 速實(shí)施救援。數(shù)據(jù)中心可以監(jiān)控搜救人員的位置分布情況和 生命狀況，有助于指導(dǎo)搜救行動(dòng)。 

系統(tǒng)將 RFID 技術(shù)與 ZigBee 無線組網(wǎng)模塊結(jié)合，構(gòu)成了 整個(gè)系統(tǒng)。通過持有多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，配合上位機(jī)信息處理系統(tǒng)， 能夠?qū)崿F(xiàn)生命體征數(shù)據(jù)采集顯示功能。