基于物联网的无线矿井灾害人员搜救系统的设计

2017-01-12刘忠富

现代电子技术 2016年23期

刘忠富

摘要：基于RFID技术、ZigBee技术，设计了基于物联网的无线矿井灾害人员搜救系统。在发生矿难时，搜救人员通过手持搜救器，可以搜索有效检测范围内被困矿工的位置信息，监测矿工体温，心率等参数信息，利用ZigBee无线传输到数据管理中心。该监测系统设计简单直观，使用方便，简化了系统硬件结构，并且易于修改，具有很好的可扩展性。

关键词：矿井搜救；物联网； RFID； ZigBee； CC2430

中图分类号： TN911?34； TD65 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）23?0022?03

Design of IOT?based wireless staff search and rescue system for mine disaster

LIU Zhongfu

（College of Information & Communication Engineering， Dalian Nationalities University， Dalian 116600， China）

Abstract： On the basis of RFID technology and ZigBee technology， the wireless staff search and rescue system based on Internet of Things （IOT） was designed for mine disaster. In the event of a mine disaster， rescuers can search the location information of the trapped miners within the effective detection range， monitor the body temperature， heart rate and other parameters of the miners by means of the hand?held search and rescue device， and then transmit the information to the data management center with ZigBee wireless technology. The design of the monitoring system is simple and intuitive， and easy to use. The hardware configuration of the system is simplified and easy to modify. The system has good scalability.

Keywords： mine?based search and rescue； Internet of Things； RFID； ZigBee； CC2430

0 引言

近年来，煤矿井下灾害时有发生，发生灾害后，井下被困人员与地面人员的信息联系被切断，地面人员难以掌握被困人员的身体状况及准确位置信息[1]。传统的措施是组织搜救人员进入矿井下，对被困人员进行搜救。但由于信息沟通不及时，搜救人员很难实时监测到井下工作人员的分布情况，灾害搜救的效率很低，同时，井上人员也难以掌握搜救人员的位置信息及搜救情况[2]。因此，精准发现被困人员并且对其进行精确定位，同时及时掌握搜救信息成为灾害发生后搜救成功与否的关键所在。

矿井发生灾害后，井下所有供电都切断，原有的矿井人员定位装置不能正常工作，但由于矿工携带的RFID射频卡是锂电池供电，因此仍然在工作[3]。本文基于物联网技术，设计了无线矿井灾害人员搜救系统，搜救人员利用手持的搜救装置，可以搜索有效检测范围内被困矿工的位置信息，监测矿工身体状况信息，利用ZigBee无线传输到数据管理中心，使灾害搜救能及时有效的进行。

1 系统总体方案设计

系统主要由被困矿工携带的RFID射频卡、搜救人员手持设备（包括RFID读卡部分、ZigBee部分）和井上数据管理中心组成。系统框图如图1所示。

正常情况下，井下人员定位系统正常工作。发生灾害时，井下断电，人员定位系统停止工作。但矿工携带的RFID射频卡由于是锂电池供电，仍然可以正常工作，不断采集人体生命体征信息并发送信息。搜救人员携带的搜救设备不断发出信号激活其信号覆盖区域的射频卡，并采集出射频卡内矿井人员的身份信息编码，同时，搜救人员手持设备还具有ZigBee组网功能，不同搜救人员手持设备可以迅速组网，发送搜救人员位置信息到井上数据管理中心，数据管理中心收到此信息后，利用基于LabVIEW的软件实现对矿井搜救人员以及被困矿工实时监控，分析计算被困人员所在的位置。

2 搜救人员手持搜救器系统设计

搜救人员手持搜救器系统以低功耗单片机LPC935为核心，使用1.2 V锂电池供电，系统包含电源升压电路，以nRF905为核心的RFID读卡电路、ZigBee网络节点电路以及触摸屏人机接口电路。系统运用射频识别技术实现对被困人员位置等信息进行近距离采集，然后结合ZigBee技术实现信息的远距离传输。系统框图如图2所示。

2.1 电源升压电路

搜救器系统采用1.2 V锂电池供电，而LPC935单片机、nRF905射频发射电路等模块电压都是3.3 V，因此需要将1.2 V电池供电电压升到3.3 V的电压，供给系统各部分作为电源。电压升压电路选用ON Semicondutor公司生产的NCP1400ASN30T1G电源芯片[4]。其应用电路如图3所示。

图3中，输入电容[C7]值为10 μF，其作用是稳定输入电压，并且可使电源的峰值电流波纹最小。输出电容[C4]的作用是在芯片内部MOSFET导通时维持输出电压及消除波纹。二极管D3应满足正向电压低、反向恢复时间短以及反向电压高于输出电压等特点，因此选择IN5819或IN4148。电感[L1]取22 μH，电感的直流电阻越小，转换效率越高。

2.2 RFID读卡电路

RFID读卡电路完成对其覆盖范围内的被困矿工射频卡信息读取的功能，其电路图如图4所示。读卡电路以nRF905为核心[5]，整个电路包括时钟振荡电路、天线匹配网络、电源滤波及保护电路。时钟振荡电路晶振为16 MHz，ANT1和ANT2为天线连接引脚，外接单天线终端装置。nRF905采用全向天线[6]。系统采用单端连接的50 Ω阻抗天线，因此，在芯片天线连接引脚和天线之间加一个匹配网络。

2.3 ZigBee节点设计

ZigBee节点采用CC2430作为主控芯片[7]，电路如图5所示，RF输入/输出是高阻抗、差分信号，RF端口的最佳差分负载是18j+115 Ω，为了实现最佳性能，设计采用低成本的电感电容实现，采用[C341，L341，L321]和[L331]以及一个PCB微带传输线，这将匹配RF输入/输出为50 Ω。天线的类型是标准的折叠偶极子，偶极子有一个虚接地点，因此提供偏置不会影响天线的性能[8]。偏置电阻是[R221]和[R261，]偏置电阻[R221]用于为32768晶振提供一个精密的偏置电阻，而在晶振的设计上采用了两个晶振的选择性使用，外部32 MHz晶振XTAL1有两个负载电容（[C191]和[C211]），XTAL2是一个可选用的32.768 kHz晶振。

3 系统软件设计

搜救器系统用于井下被困人员携带的射频卡的数据采集，一方面搜救器系统不断发出RFID联络信号激活通过其信号覆盖区域的射频卡并建立同步，采集出射频卡内被困矿井人员的身份信息，另一方面搜救器系统通过接入ZigBee网络，将代表矿井巷道地理位置的搜救器编码连同采集到的人员数据一起发送至地面监控计算机。

搜救器系统通信程序框图如图6所示。搜救器每10 s发送一次帧头为0xFF的广播信号，一方面激活进入搜救器信号覆盖区的射频卡，另一方面与射频卡建立同步或定时器校准[9]。为了保证所有射频卡都能收到同步信号，这里令基站每10 s都连发两次广播信号。由于广播信号不需要接收射频卡的应答信号，广播信号发送完毕后，搜救器的nRF905由发送模式转换为接收模式，准备接收射频卡的RTS请求发送信号，同时启动超时退出计数器，以便10 s后再次发送广播信号[10]。

图6 搜救器系统程序框图

4 结语

本文基于物联网技术设计了无线矿井灾害搜救系统。系统采用RFID技术、ZigBee技术，可以在矿井发生灾害后，利用搜救人员手持的搜救器实时监测被困矿工的身体信息及位置信息，同时把搜救信息上传到地面监控中心。本系统具有一定的实用价值，可以推广到火灾、地震等特殊工作现场搜救系统中。

参考文献

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[2] 刘宇.矿井人员定位、管理、搜救系统的设计[D].北京：北京邮电大学，2008.

[3] 郭京京.基于ZigBee+RFID技术对搜救人员信息采集及传输的研究[J].中国集成电路，2013（8）：43?46.

[4] 彭超然.基于线阵CCD的人机交互技术研究[D].杭州：浙江大学，2011：20?21.

[5] 王娟.基于RFID的新型交互式生命搜救仪器[J].电子技术，2010（10）：52?54.

[6] Nordic VLSI ASA Inc. nRF9E5 RF and antenna layout [R]. Norway： Nordic VLSI ASA Inc， 2004.

[7] 张亚琼，杜永桂.基于CC2430的ZigBee智能传感器网络研究及应用[J].仪表技术，2008（4）：3?4.

[8] ZHENG J， LEE M J. Aeom prehensive performance study of IEEE 802.154.4 [M]. New Jersey： IEEE Press， 2006： 218?237.