采矿工人生理状况监测系统设计

冯 禹，刘 军

(武警工程大学研究生管理大队，陕西西安 710086)

采矿工人生理状况监测系统设计

冯 禹，刘 军

(武警工程大学研究生管理大队，陕西西安 710086)

采矿工人生理状况监测系统是工人矿井下作业时，进行实时、连续、长时间地采集、监测心电、呼吸、体温、血氧饱和度和体动等参数，并实现数据无线传输的系统。针对传统监控设备对工人状态掌控缺乏、矿难频发等重大问题，设计了一款无线、可穿戴、无创、低心理负荷的多参数采矿工人生理状况监测系统，以便准确地了解井下工人生理状况，及时预防危险状况发生，安全顺利地完成采矿工作。

无线数据传输;生理状况;监测

近年来，矿难事故的频繁发生暴露出大部分煤矿监控系统存在着严重问题。随着信息化技术水平的不断发展，传统的有线监控设备易损坏、不易移动等缺点的暴露，无线监控系统得到了人们的认可。生理状况监测系统是解决环境与个人体质两者关系的最优方案。为提高生产安全，预防和减少损伤，国内外科研人员开发了多种生理状况监测系统，但设计缺乏针对性且价格昂贵。随着矿难事故频发，为准确了解工人的生理状况，有效预防事故，设计了一种符合采矿工人的生理状况监测系统。

1 系统总体设计

1.1 设计思路

根据采矿工人井下作业的需要，通过对WBSN技术、ZigBee无线传输协议和可穿戴技术的分析研究，在需求分析的基础上进行总体设计。结合嵌入式开发系统的特点，分别完成硬件和软件设计，最终进行系统集成，建立一套适用于井下作业实时传输的生理状况监测系统。

1.2 系统组成及工作原理

根据系统的需求分析，遵循模块化设计原则，将系统分为3大组成部分，分别是生理信息采集和处理模块、无线收发模块以及数据监测和显示模块。系统整体组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

生理信息采集和处理模块集成在矿工的衣服上，由矿工按键启动采集指令，主要采集工人的心率、呼吸、体温等生理参数，采集后的数据经过预处理和数据融合，再通过无线收发模块发送到数据监测和显示模块，数据监测和显示模块可对数据进行分析、处理、显示、存储和回放。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件电路框图

通过分析矿工的工作特点，按照层次化设计思想，综合考虑节点的使用场景、扩展性、稳定性和可靠性等因素，设计硬件电路框图如图2所示。

图2 系统硬件电路框图

2.2 处理器模块

由于系统主要用于采矿工人生理状况监测，对系统的安全性、可靠性、体积和功耗等都有较高的要求，因此选择CC2530芯片。CC2530集成了微处理器、存储器和射频模块，无线自组网络更灵活，并带有TI全球唯一地址编码，可进行有效地跟踪和定位。

2.3 传感器单元

2.3.1 心电模块

心电信号是心脏有规律收缩和舒张过程中心肌细胞产生的原发性信号，它反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化［1］，可用于检测各种心律失常、心肌病变、心肌梗塞及心肌缺血等心血管疾病。

根据设计要求，心电采集、放大电路主要由电极采集、前置放大、屏蔽驱动、右腿驱动、低高通滤波、50 Hz工频陷波、二级运放、电平提升和A/D转换8部分组成，如图3所示。

图3 心电采集、放大电路框图

2.3.2 呼吸模块

呼吸信号的检测电路由激励源电路、前置放大电路、检波整流电路、滤波放大电路组成，如图4所示。首先由激励源电路产生频率为62.5 kHz，幅值为2 mA的恒流激励信号，通过心电电极将恒流激励信号输入人体，周期性呼吸运动产生的阻抗变化反映在两电极之间的电压变化上，检测电压信号，并经过前置放大完成初步放大，利用检波整流电路提取有用信号，再通过滤波电路滤除多余频段信号，最后经过放大得到呼吸信号。

图4 呼吸信号检测电路

2.3.3 体温模块

为保证体温监测的准确性和可靠性，文中采用三点测温、外接电源的供电方式，取平均值作为测量体温。电路连接如图5所示。

图5 体温模块电路图

2.3.4 血氧饱和度模块

采用CSN604血氧饱和度OEM模块检测矿工的血氧饱和度，模块运用光电容积脉搏波描记法［2－5］(Photo Plethysmo Graph，PPG)，建立无创血氧饱和度测量模型，结合朗伯－比尔定律，根据皮肤、肌肉、骨骼和静脉血等对光的吸收恒定不变，而动脉血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白对光的吸收量不同的原理，通过带有传感器的血氧探头直接置于体表动脉处进行活体血氧饱和度检测。其检测原理如图6所示。

图6 血氧饱和度检测原理图

2.3.5 体动模块

采用三维加速度传感器MMA7260QT实现体动信息的采集。MMA7260QT由两个表面微加工电容传感单元(g－cell)和信号调理电路(ASIC)组成。工作原理:g－cell可视为一组连接到可移动中间单元的横梁。随着系统运动获得一个加速度，中间单元偏离平衡位置在两个固定梁之间移动，连接到中间单元的横梁也随之运动，它距一边固定梁的距离增加，距另一边固定梁的距离就减少，横梁上有两个背对的电容，随着距离变化电容值也在改变，即:C=Aε/D，其中A是横梁的面积;ε是介电常数;D是到固定梁的距离。ASIC利用开关电容技术测量g－cell的电容值并根据两个不同电容值计算出加速度。原理如图7所示。

图7 MMA7260QT工作原理图

2.4 电源模块

系统选用锂电池供电，根据各模块的工作电压和电流消耗，如表1所示，初步设定连续监测24 h，理论测算并结合实际使用，选择总容量为1 500 mAh，电压为3.6 V的锂电池供电。

表1 各模块的工作电压和电流消耗

根据表1各模块工作电压，结合3类电源管理芯片的特性，设计出系统电源模块，如图8所示。

图8 系统电源模块框图

3 系统软件设计

系统软件设计是整个系统实现的关键步骤［6－7］，系统的软件设计分3个部分:复合采集节点程序设计、网络协调器程序设计和监控中心监测软件设计。

3.1 复合采集节点程序设计

复合采集节点程序负责生理信号的采集和无线发送，复合采集节点上电后先进行系统初始化操作，然后向网络协调器发送加入网络请求，允许加入网络后进行时间同步调整，与网络协调器达到同步，再启动生理信号采集子程序，分别采集工人的心电、呼吸、体温、血氧饱和度、体动，并将数据发送到网络协调器上。复合采集节点主程序流程图如图9所示。

3.2 网络协调器程序设计

网络协调器程序主要管理整个传感器网络，负责网络的建立、节点的加入数据的汇总、处理和分析，并将处理后的数据通过串口传送到监控中心的计算机，传递来自监控中心的消息指令。网络协调器上电后进行系统初始化，包括端口初始化、定时器初始化、射频初始化、控制字初始化和中断设置。建立ZigBee网络，发送同步消息，使复合采集节点与自身达到同步。等待，接收数据，并判断数据类型，若为复合采集节点加入网络请求，则分配网络地址;若为采集的生理信息，则通过串口将数据传输给监控中心计算机。具体流程如图10所示。

图9 复合采集节点主程序流程图

3.3 监控中心监测软件设计

系统监控中心监测软件采用Delphi语言编写，主要用于对所有数据信息进行实时显示、管理、存储和回放分析，并可以通过友好界面实现人机交互。程序主界面如图11所示。

图10 网络协调器程序流程图

图11 程序主界面

4 结束语

对采矿工人生理状况监测系统的理论基础进行了详实的介绍，设计了系统的总体框架，并对系统的硬件、软件进行了设计。该系统结合无线躯体传感器网络技术、ZigBee技术和可穿戴式技术，能实时监测矿工的生理状况，采集矿工生理参数，使管理者可根据实时数据监测每名工人的工作强度和工作中心理情绪变化，了解矿工对井下环境的适应能力，及时调整人员，提高工作效率，对防止人员伤亡和意外事故的发生起到了重要作用。

［1］刘克球.生物医学电子学［M］.北京:北京人民出版社，1988.

［2］马艺闻.用激光散射方法研究人体外周血液循环［D］.天津:天津大学，2002.

［3］SHEREBRIN M H，SHEREBRIN R Z.Frequency analysis of the peripheral pulse wave detected in the finger with a photoplethysmogragh［J］.IEEE Transactions on BME，1990，37(3):313－317.

［4］壬怡，祁燕，孙立，等.以皮下反射光观测微循环方法及实用仪器［J］.中国生物医学工程学报，1994，13(3):255 －259.

［5］冯友贤.血管外科学［M］.上海:上海科学出版社，1992.

［6］赖麒文.单片机C语言软件设计的艺术［M］.北京:科学出版社，2002.

［7］王选.软件设计方法［M］.北京:清华大学出版社，1992.

Design of Mining Workers'Physiological Status Monitoring System

FENG Yu，LIU Jun
(Graduate School of Management Brigade，Engineering College of Armed Police Force，Xi'an 710086，China)

The mining workers'physiological status monitoring system is a system to realize real-time，continuous and long time detection of workers'ECG，respiration，body temperature，blood oxygen saturation and body movement and to realize wireless data transmission.In view of the lack of control of workers'status by traditional monitoring equipments and the high frequency of mine accidents，we have designed a set of wireless，wearable，and non-invasive multi-parameter physiological monitoring system to display the physiological status of mining workers accurately，to prevent dangers timely，and to achieve a smooth，safe completion of the mining task.

wireless data transmission;physiological status;monitoring

TP277

A

1007－7820(2012)08－096－05

2012-02-29

冯禹(1989—)，女，硕士研究生。通信技术。刘军(1963—)，男，教授。研究方向:无线数据通信，电子技术应用。