基于ZigBee的矿井人员体征监测系统设计

肖燕

（宝鸡文理学院　计算机学院，陕西　宝鸡 721016）

计算机技术与应用

基于ZigBee的矿井人员体征监测系统设计

肖燕

（宝鸡文理学院计算机学院，陕西宝鸡 721016）

针对矿井人员的生命安全和矿井环境存在隐患无法及时排查的问题，本文设计了一个基于ZigBee技术的矿井人员体征监测系统。系统利用传感器分别获取到人体温度、脉搏信息和气体环境信息，利用ZigBee网络进行信息无线传输，并对信息数据进行处理，从而实现了对矿井人员生命体征和矿井环境实时监测的功能。测试结果证明，系统实现对井下人员的定位和实时监控功能，为井下救援提供可靠依据，具有良好的应用价值。

ZigBee；矿井安全；生命体征；CC2530

煤矿是关系到国民经济发展的重要资源，开采主要靠矿工进行井下作业。由于地质环境复杂，塌陷、瓦斯爆炸等矿井安全事故时有发生，直接威胁到矿工的生命安全。虽然目前已有多种措施和法律条文来保障施工安全，但是矿难仍不可避免，紧急救援措施尤为重要。事故发生后，目前的安全系统无法确切的掌握被困矿工的位置、人数以及生命体征状况，给救援工作的开展带来困难。针对以上情况，文中设计了一款基于ZigBee技术的矿井救援辅助系统，能对被困人员迅速定位，并掌握其生命体征，为救援方案的制定提供依据，最大限度的减少伤亡数量。

1　ZigBee技术

ZigBee技术是一种便宜、低功耗、高可靠性的近距离无线组网技术，是一个由可多到65000个无线数传模块组成的无线数传网络平台。在整个网络范围内，每个ZigBee网络节点不仅自身可以作为监控对象，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料［1］，并承担着和多个非中转孤立子节点进行无线连接的任务。由于矿井结构复杂，有线通信方式无法完成对整个矿井的全面覆盖，特别是在发生事故后，井下有线信号极易被屏蔽而延误救援时机。因此，选用可自组网的ZigBee无线传感器网络完成对井下人员的跟踪与定位，为事故救援提供技术支持。另外，由于矿井下人员是在连续作业之中，其健康状况不容忽视。因此，系统对其生命体征进行连续监测十分必要。ZigBee技术可以通过传感器获取到有用的体征信息，对有异样的信息发出警报，从而为矿工的生命安全提供保障。

2　系统总体设计

本系统采用的ZigBee无线传感器网络有3种设备成员，分别为协调器节点、路由器节点和终端节点。协调器节点是整个网络的核心，负责网络的建立、管理和维护。路由器负责路由发现、消息传输、并允许其他节点通过它接入网络，并且路由器节点兼具终端节点的功能。终端节点通过协调器节点或路由节点加入网络，负责采集数据。

本系统的总体结构如图1所示。首先，由协调器发起组建ZigBee无线传感器网络。然后由终端节点采集人体体征信息和气体信息，并将数据发送路由器节点。路由器节点自身采集矿井内的气体信息，同时转发人体体征信息功能。最后由协调器节点收集信息，通过地面监控中心软件完成对不同信息的分析与处理。

图1　系统总体结构图

3　系统硬件设计

在本系统中，ZigBee网络的终端节点、路由器节点和协调器节点均使用了包含一个“增强型”工业标准的8位8051微控制器内核，并集成了 2.4 GHz的 RF无线收发器的CC2530作为核心处理器。与终端节点的硬件结构上相比较，路由器节点只是选取了终端节点的气体传感器模块，其他模块无变化。因此相对简单的路由器节点硬件设计不再作讨论。

3.1终端节点的硬件设计

终端节点可以采集到人体体征信号和周边气体环境信号。人体主要有体温、脉搏、血压、呼吸四大生命特征来表征人体是否健康。根据实际情况，本系统选用温度传感器和脉搏传感器来获取体温和脉搏信号。为了随时采集人体体征信号，终端节点由矿工随身携带。终端节点的硬件结构如图2所示。

图2　终端节点硬件结构图

信号采集模块由3种不同的传感器模块组成。温度传感器模块采用串行数字温度传感器DS18B20芯片，其温度测量范围在-55~+125℃，满足对人体温度的测量需求。DS1820为单线接口，将其DQ口接到CC2530的P1.7口，并加入一个阻值为5.1k的上拉电阻即完成电路设计。

脉搏传感器模块采用合肥华科电子技术研究所研发的HK-2000A集成化脉搏传感器。它具有灵敏度高、抗干扰性能力强、性能稳定、使用寿命长等特征，在矿井环境中非常适用。HK-2000A接线简单，它共有红黑白3个端子,分别接电源,地线和CC2530的P0.7口。

气体传感器模块是为了监测矿井下的CO和其他可燃气体的浓度，采用MQ-9气体传感器。该传感器的敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成，因此具有良好的稳定性。同时，它又具有很高的灵敏度，对于不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。

3.2协调器的硬件设计

协调器节负责与地面监控系统互相发送信息，因此协调器除了CC2530处理器模块、晶振电路、射频电路等组成，还需接入一个串口电路。串口电路连接到CC2530需要进行电平的转换，本设计中使用只有一路输入输出的MAX232芯片完成此功能。串口连接电路如图3所示。

图3　串口原理图

4　系统软件设计

4.1节点软件设计

终端节点为矿井人员自身佩戴，属于移动节点。路由器节点的位置固定且已知。终端节点首先需要向路由器节点发送加入到无线传感器网络中的请求，待路由器节点通过请求后，终端节点即可将获取到的信息通过ZigBee射频天线发送。设置终端节点的定时器为每隔30 s发送一次数据信息。路由器节点根据收到的信号强弱（即RSSI值）确定终端节点的位置，并将终端节点的数据信息进行转发。协调器定时查询信道上的数据，如果信道上有路由器发送来的数据则接收数据，否则进入休眠状态。软件流程图如图4所示。

图4　软件流程图

4.2地面监控中心软件设计

监控中心系统通过串口接收到来自井下的各个传感器信息，并根据信息对井下人员的生命体征和生存环境进行判断，及时发现潜在危险。该系统采用面向对象语言Visual C++编写，并使用sql server 2008建立数据库。系统人机交互界面模块构成如图5所示。

数据查询：分别查询井下人员的位置信息、生命体征信息以及井下气体环境信息。并通过输入查询条件进行选择性查找。

数据显示模块：显示井下人员的当前位置。

图5　人机交互界面模块构成图

数据统计模块：统计当前井下人员人数，并找出体温和脉搏处于不正常的人数。

告警管理模块：设置生命体征告警的限值并根据限值排查出需要告警的人员以供查询。也可设置井下环境告警限值并在大于限值时发出告警。

系统维护模块：包括用户登录和用户权限分配等功能。

5　系统测试

本系统的测试是模拟矿井巷道，在弯曲的位置布置路由器节点15个，终端节点6个，协调器节点1个。路由器节点的间距为60 m，覆盖面积大约为0.15 m2。由测试员携带终端节点移动，可以从监测中心软件上获取到相应的节点位置、体征信息和气体环境信息，如图6所示。

因此，本系统的设计可实现对井下人员的体征和环境信息的监测，系统已达到预期设计目标。

图6　测试界面图

6　结论

本文设计了一个对矿井下人员的生命体征信息和矿井下的气体环境信息进行监测的系统，采用CC2530作为核心处理器，并组建了ZigBee无线传感器网络传输信息。最后由地面监控中心软件进行信息的处理。整个系统具有很强的实用性，为矿井下人员提供的生命安全的有效保障。

［1］李明亮,蒙杨,康辉英.例说［M］.北京:北京航天航空大学出版社,2013.

［2］姜仲,刘丹.ZigBee技术与实训教程——基于CC2530的无线传感网技术［M］.北京:清华大学出版社,2014.

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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稿件编号：201512023

国家自然科学基金 （61379030）；陕西省自然科学基础研究计划项目基金 （2015JM6329）；宝鸡文理学院院级项目（ZK15092）

肖 燕（1982—），女，湖北咸宁人，硕士，助教。研究方向：物联网技术应用。