张 任 张亚南

(塔里木大学信息工程学院，新疆阿拉尔843300)

煤矿人体安全监测系统是通过无线终端设备采集井下矿工的各种生理指标和矿井下环境的各种参数，再通过有线或无线的通信方式发送到地面监控中心分析显示，并作出相应调整管理和善后工作的一种技术手段。该技术集信息采集、无线通信、定位查找于一体，充分解决控制中心与矿道互通信息不变的问题。煤矿安全监测系统分三个部分，即监测中心、远端信息监测采集设备和路由器通信网络。

1 系统概述

1.1 研究意义

煤矿安全，特别是矿井矿道中的人员安全是煤矿生产中面临的最主要问题。

近年来，煤矿井下瓦斯爆炸、矿道透水、坍塌等事故频发，仅2011年1月至9月，全国煤矿共发生死亡事故892起、死亡1 419人，仅2011年11月云南师宗县私庄煤矿事故已造成34人遇难，井下人体安全已经成为煤矿产业发展中亟待解决的关键问题[2－3]。因此，煤矿人体安全监测系统的开发将对保障井下作业人员的生命财产安全具有重要的现实意义。

1.2 研究目标

该系统采用新兴的Zigbee无线传感器网络技术，通过传感器采集周围环境静态参数和参考节点与定位节点对作业人员的准确定位。针对无线传感器的发展和煤矿事故频发的特殊问题，提出无线和有线系统相结合的人体信号的监测与定位系统系统，为煤矿的安全生产和事故发生后的搜救工作提供可靠的保证。

1.3 总体设计方案

该煤矿人体安全监测系统主要由PC机监控界面、分布在矿井坑道之中的定位参考节点以及佩戴在矿工身上的无线传感器节点组成，如图1所示。

图1 人体安全监测系统框图

佩戴在矿工身上的无线传感器节点主要由压电式脉搏传感器和集成RSSI衰减定位功能模块两部分构成，将矿工的脉搏信号采集并通过无线通信模块发送到分布在矿井坑道之中的定位参考节点上。参考节点将人体脉搏信号连同相对坐标信号等数据重组后通过RS232发送到PC机上实时显示，便于地面人员监控。

2 相关模块设计

2.1 主控模块及接口电路设计

该系统主控模块采用的是MSP430FG461x系列微处理器。该处理器以超低功耗著称，16位高效RISC内核具有强大的数据计算功能、还具有6us的超低功耗唤醒模式、强大的中断、外围模块、无需外扩总线等功能[4－5]。

为了适应矿道这种特殊场合以及提高定位节点与参考节点的通用性，该系统预留的多个用于扩展的I/O口。另外，该系列单片机内部集成了用于模数转换的12位ADC模块，并且提供了5个8位的I/O口(P0～P4)，且每个I/O口可作为独立的中断源，又可独立进行编程。图2为串口电路，可以用来与S3C2410处理器进行通信。

图2 串口电路

2.2 脉搏数据的采集

该系统中脉搏数据采集模块采用的是最新型的高分子电压材料PVDF(聚偏氟乙烯)传感器，PVDF具有化学稳定性、低吸湿性、高热稳定性、高抗紫外线辐射能力、高耐冲击、耐疲劳能力、压电系数大频响宽、声阻抗接近人体组织和水，它可以对人体的各种生理信号进行采集测量[6－7]。该传感器将采集来的人体体征信号经过电荷放大、适调放大器、滤波、信号整形及光耦合后传送到监控中心。

2.3 传感器节点设计

无线传感器的节点由分布在矿井坑道之中的定位参考节点以及佩戴在矿工身上的无线传感器节点组成。定位节点使用的是内嵌8051处理器、具有无线定位跟踪引擎、误差不超过3米的CC2431。静态参考节点使用的是符合2.4 GHz IEEE802.15.4标准的射频频段、250 Kbps数据传输率、高灵敏度、低功耗的CC2420，CC2420外围电路如图3所示。

图3 CC2420的外围电路

2.4 CC2420接口设计

如图4是CC2420与处理器MSP430FG4618的接口连接图。从图中我们可以看到，它收发数据的状态使用CCA、FIFOP、FIFO、SDF引脚表示，其中，引脚FIFOP和FFIO用于表示接收FIFO的缓存区的状态，缓存区中有接收数据，FFIO引脚电平为高，直到整帧数据完全接收或接收缓存区的数据超过临界值时输出高电平时，FIFOP引脚输出高电平，该临界值可以由用户通过CC2420的寄存器自行设置。假如缓存区中无数据接收，则FFIO引脚电平为低。SDF引脚在CC2420收到物理帧的SFD字段后，则输出高电平，直到整帧数据完全接收。如果地址辨识被启动但辨识失败，则该引脚电平为低。SPI接口是MSP430FG4618微处理器与CC2420数据交换的通道。

图4 MSP430与CC2420接口

2.5 Zigbee模块的软件设计

系统无线传感器模块采用的新兴的ZigBee无线网络技术。用ZigBee无线网络通信协议开发的传感器节点模块机身小巧，功耗较低，适用于电池供电的场合[8－10]。该系统中矿工佩戴的定位节点内嵌于矿工的安全帽中，由矿灯电池供电。在矿井的巷道内每隔一定距离就会安置一个无线传感器参考节点，由这些无线传感器参考节点构成一个分布式无线通信网络，将矿工所佩戴的定位节点采集的人体脉搏信号连同相对坐标值一同接收并传送至地面监控中心。系统驱动程序主要包括CC2420通信程序设计、数据采集程序设计以及定位程序设计。主要用于解决MSP430FG4618微处理器与CC2420的数据通信及CC2431片上系统解决方案的兼容，完成定位功能。

数据的发送处理主要是将数据进行IEEE802.15.4协议数据帧的封装处理，然后利用SPI总线驱动进行数据的发送。CC2420通信程序设计流程如图5所示。

图5 CC2420发射和接收流程图

数据采集节点设计使用的是CC2420与MSP430FG4618实现的，其流程图如图6所示。

图6 数据采集节点流程图

定位节点通过接收定位区域内所有参考节点的RSSI值后，经过定位算法来计算其坐标位置。定位节点由CC2431芯片实现，其流程图如图7所示。

图7 定位节点流程图

3 结论

该系统将无线的Zigbee网络通信技术与有线的RS232通信技术有效结合，成本低，效率高，易于设备的安装与维护，实现了地面监控人员对矿井下工作人员的人体体征信号及井下分布情况的实时监控。一旦矿井下发生透水、坍塌等事故时，地面监控人员可以通过监控界面及时了解到井下工作人员发分布位置及当前的身体状况，以便于及时、有效、合理的安排搜寻及救助工作，促进矿井安全管理事业的发展，为煤矿的安全生产提供更加有力的保证。

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