基于ZigBee的礦井人員體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖燕

（寶雞文理學(xué)院　計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西　寶雞 721016）

計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用

基于ZigBee的礦井人員體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖燕

（寶雞文理學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西寶雞 721016）

針對(duì)礦井人員的生命安全和礦井環(huán)境存在隱患無(wú)法及時(shí)排查的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的礦井人員體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用傳感器分別獲取到人體溫度、脈搏信息和氣體環(huán)境信息，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息無(wú)線傳輸，并對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井人員生命體征和礦井環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。測(cè)試結(jié)果證明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員的定位和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，為井下救援提供可靠依據(jù)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

ZigBee；礦井安全；生命體征；CC2530

煤礦是關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源，開(kāi)采主要靠礦工進(jìn)行井下作業(yè)。由于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，塌陷、瓦斯爆炸等礦井安全事故時(shí)有發(fā)生，直接威脅到礦工的生命安全。雖然目前已有多種措施和法律條文來(lái)保障施工安全，但是礦難仍不可避免，緊急救援措施尤為重要。事故發(fā)生后，目前的安全系統(tǒng)無(wú)法確切的掌握被困礦工的位置、人數(shù)以及生命體征狀況，給救援工作的開(kāi)展帶來(lái)困難。針對(duì)以上情況，文中設(shè)計(jì)了一款基于ZigBee技術(shù)的礦井救援輔助系統(tǒng)，能對(duì)被困人員迅速定位，并掌握其生命體征，為救援方案的制定提供依據(jù)，最大限度的減少傷亡數(shù)量。

1　ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種便宜、低功耗、高可靠性的近距離無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，是一個(gè)由可多到65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅自身可以作為監(jiān)控對(duì)象，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料［1］，并承擔(dān)著和多個(gè)非中轉(zhuǎn)孤立子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線連接的任務(wù)。由于礦井結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有線通信方式無(wú)法完成對(duì)整個(gè)礦井的全面覆蓋，特別是在發(fā)生事故后，井下有線信號(hào)極易被屏蔽而延誤救援時(shí)機(jī)。因此，選用可自組網(wǎng)的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)井下人員的跟蹤與定位，為事故救援提供技術(shù)支持。另外，由于礦井下人員是在連續(xù)作業(yè)之中，其健康狀況不容忽視。因此，系統(tǒng)對(duì)其生命體征進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)十分必要。ZigBee技術(shù)可以通過(guò)傳感器獲取到有用的體征信息，對(duì)有異樣的信息發(fā)出警報(bào)，從而為礦工的生命安全提供保障。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有3種設(shè)備成員，分別為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、管理和維護(hù)。路由器負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)、消息傳輸、并允許其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)它接入網(wǎng)絡(luò)，并且路由器節(jié)點(diǎn)兼具終端節(jié)點(diǎn)的功能。終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先，由協(xié)調(diào)器發(fā)起組建ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。然后由終端節(jié)點(diǎn)采集人體體征信息和氣體信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送路由器節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)自身采集礦井內(nèi)的氣體信息，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)人體體征信息功能。最后由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收集信息，通過(guò)地面監(jiān)控中心軟件完成對(duì)不同信息的分析與處理。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)均使用了包含一個(gè)“增強(qiáng)型”工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，并集成了 2.4 GHz的 RF無(wú)線收發(fā)器的CC2530作為核心處理器。與終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)上相比較，路由器節(jié)點(diǎn)只是選取了終端節(jié)點(diǎn)的氣體傳感器模塊，其他模塊無(wú)變化。因此相對(duì)簡(jiǎn)單的路由器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)不再作討論。

3.1終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)可以采集到人體體征信號(hào)和周邊氣體環(huán)境信號(hào)。人體主要有體溫、脈搏、血壓、呼吸四大生命特征來(lái)表征人體是否健康。根據(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)選用溫度傳感器和脈搏傳感器來(lái)獲取體溫和脈搏信號(hào)。為了隨時(shí)采集人體體征信號(hào)，終端節(jié)點(diǎn)由礦工隨身攜帶。終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)采集模塊由3種不同的傳感器模塊組成。溫度傳感器模塊采用串行數(shù)字溫度傳感器DS18B20芯片，其溫度測(cè)量范圍在-55~+125℃，滿足對(duì)人體溫度的測(cè)量需求。DS1820為單線接口，將其DQ口接到CC2530的P1.7口，并加入一個(gè)阻值為5.1k的上拉電阻即完成電路設(shè)計(jì)。

脈搏傳感器模塊采用合肥華科電子技術(shù)研究所研發(fā)的HK-2000A集成化脈搏傳感器。它具有靈敏度高、抗干擾性能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等特征，在礦井環(huán)境中非常適用。HK-2000A接線簡(jiǎn)單，它共有紅黑白3個(gè)端子,分別接電源,地線和CC2530的P0.7口。

氣體傳感器模塊是為了監(jiān)測(cè)礦井下的CO和其他可燃?xì)怏w的濃度，采用MQ-9氣體傳感器。該傳感器的敏感層是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成，因此具有良好的穩(wěn)定性。同時(shí)，它又具有很高的靈敏度，對(duì)于不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值。

3.2協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)負(fù)責(zé)與地面監(jiān)控系統(tǒng)互相發(fā)送信息，因此協(xié)調(diào)器除了CC2530處理器模塊、晶振電路、射頻電路等組成，還需接入一個(gè)串口電路。串口電路連接到CC2530需要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)中使用只有一路輸入輸出的MAX232芯片完成此功能。串口連接電路如圖3所示。

圖3　串口原理圖

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)為礦井人員自身佩戴，屬于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)的位置固定且已知。終端節(jié)點(diǎn)首先需要向路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的請(qǐng)求，待路由器節(jié)點(diǎn)通過(guò)請(qǐng)求后，終端節(jié)點(diǎn)即可將獲取到的信息通過(guò)ZigBee射頻天線發(fā)送。設(shè)置終端節(jié)點(diǎn)的定時(shí)器為每隔30 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)信息。路由器節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信號(hào)強(qiáng)弱（即RSSI值）確定終端節(jié)點(diǎn)的位置，并將終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)調(diào)器定時(shí)查詢信道上的數(shù)據(jù)，如果信道上有路由器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)則接收數(shù)據(jù)，否則進(jìn)入休眠狀態(tài)。軟件流程圖如圖4所示。

圖4　軟件流程圖

4.2地面監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心系統(tǒng)通過(guò)串口接收到來(lái)自井下的各個(gè)傳感器信息，并根據(jù)信息對(duì)井下人員的生命體征和生存環(huán)境進(jìn)行判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)。該系統(tǒng)采用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言Visual C++編寫，并使用sql server 2008建立數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)人機(jī)交互界面模塊構(gòu)成如圖5所示。

數(shù)據(jù)查詢：分別查詢井下人員的位置信息、生命體征信息以及井下氣體環(huán)境信息。并通過(guò)輸入查詢條件進(jìn)行選擇性查找。

數(shù)據(jù)顯示模塊：顯示井下人員的當(dāng)前位置。

圖5　人機(jī)交互界面模塊構(gòu)成圖

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊：統(tǒng)計(jì)當(dāng)前井下人員人數(shù)，并找出體溫和脈搏處于不正常的人數(shù)。

告警管理模塊：設(shè)置生命體征告警的限值并根據(jù)限值排查出需要告警的人員以供查詢。也可設(shè)置井下環(huán)境告警限值并在大于限值時(shí)發(fā)出告警。

系統(tǒng)維護(hù)模塊：包括用戶登錄和用戶權(quán)限分配等功能。

5　系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)的測(cè)試是模擬礦井巷道，在彎曲的位置布置路由器節(jié)點(diǎn)15個(gè)，終端節(jié)點(diǎn)6個(gè)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)1個(gè)。路由器節(jié)點(diǎn)的間距為60 m，覆蓋面積大約為0.15 m2。由測(cè)試員攜帶終端節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，可以從監(jiān)測(cè)中心軟件上獲取到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置、體征信息和氣體環(huán)境信息，如圖6所示。

因此，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員的體征和環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)已達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6　測(cè)試界面圖

6　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)礦井下人員的生命體征信息和礦井下的氣體環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，采用CC2530作為核心處理器，并組建了ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。最后由地面監(jiān)控中心軟件進(jìn)行信息的處理。整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，為礦井下人員提供的生命安全的有效保障。

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Design of miner psychology signmonitoringsystem based on ZigBee

XIAO Yan
（School of Computer，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721016,China）

Aiming at the hidden troubles in miner safety and coal mine environments cannot solvedin time,this paper design a monitoring system of miner psychology signs based on ZigBeetechnology.The system collects humantemperature、pulse signals and gas signals,then transmit data through the ZigBee wireless sensor network and processes these data.It realizes the function of real-time monitoring inminer safety and coal mine environments.The results of tests indicate the system has achievedpersonnel location and real-time monitoring,and it provides reliable basis for the mine rescue with a good application value.

ZigBee；mine safety；psychology sign；CC2530

TN919

A

1674－6236（2016）13-0001-03

2015-12-03稿件編號(hào)：201512023

國(guó)家自然科學(xué)基金 （61379030）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目基金 （2015JM6329）；寶雞文理學(xué)院院級(jí)項(xiàng)目（ZK15092）

肖 燕（1982—），女，湖北咸寧人，碩士，助教。研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。