煤矿井下人员搜救器的设计

摘要：在煤矿井下人员定位系统的基础上研制了基于Cortex_M3的手持便携式人员搜救器。当发生矿难时，搜救器通过自动搜索机制，由探测被因人员携带的2．4G定位卡，通过改变PA增益精确定位被因人员，并且确定其身份；通过2．8寸全彩OLED屏实时显示当前探测到的人数、方位、身份等信息；并通过红外传送给计算机。
关键词：井下搜救器；Cortex_M3；2．4G；红外通信

0 引言
    近年来，国内矿井事故时有发生，矿井事故发生后首要问题是如何快速地搜救受困人员，而限于矿井下的恶劣环境和防爆要求一般的探测方式无法实现被困人员的探测和搜救，所以煤矿井下人员搜救器的研究具有重要的意义。目前，国内对井下人员搜救的研究较少，还没有实用的井下人员搜救器的使用。但是国内对于非接触生命探测的技术已经非常成熟，尤其是在汶川地震中得到了应用，手持式的人员搜救器也必然是井下人员搜救的重要发展方向。

1 总体设计
    为了可以在井下安全工作，搜救器的设计过程中采取了一系列的防爆措施。井下搜救器工作时需要两部分来完成：井下搜救器和井下工作人员佩戴的动态目标识别卡。井下搜救器是一个手持的移动电子仪器，它由定向天线、显示屏、CPU板、防水外壳和按键组成。每一个动态目标识别卡与井下人员有唯一的对应关系。动态目标识别卡处于常发状态，每隔一秒就会发射一次标签信号。搜救器上面的搜救键被按下时，搜救器发出连续的搜救信号直到接收到动态目标识别卡发射的标签信号为止。该信号包含有工作人员的唯一识别号，搜救器上预装的程序根据该信号查寻数据库并在显示屏显示。
    当回到地面，通过USB-irC转换器将人员识别卡信息传输到计算机，经过系统监控软件的处理，以图形、表格、动画等直观的方式动态显示当前井下人员的分布情况和每个下井人员的行踪。本系统结构框图如图1所示。

2 硬件设计
    本搜救器的核心元件为一个ARM单片机、一个工作在2．4 GHz的高频通信芯片、320x240的65535色自发光低功耗OLED显示屏。高频芯片用于接收识别卡的信息，将收到的二进制信号送给单片机处理。单片机完成信号解码、校验，将正确的识别号显示到OLED，并存储到内部的FLASH。
2．1 CPU主控部分
    搜救器采用STM32F103VE作为主控制芯片。STM32F103VE是ST公司推出的高性能的Cortex-M3 32位的RISC(精简指令集)内核的ARM。工作频率可达72 MHz，内置高速存储器(高达512k字节的闪存和64k字节的静态SRAM)，丰富的增强I／O端口和联接到两条APB总线的外设。Thumb-2指令集带来了更高的指令效率和更强的性能，通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中断事件的响应比以往更迅速，工作电压可以在2．0 V～3．6 V之间，能够实现耗电最优化。在工业实时控制、计算机外部设备、建筑和安防、仪器仪表、通讯设备、家电消费等各个领域有着广泛地应用。
2．2 供电系统
    搜救器的电源由可充电4900MAH的LI电池提供。供电电源为直流3．7 V，最大工作电流为85 mA，充电时间为10～14小时。工作时间在48小时以上，待机时间为5天。其充电及供电电路图见图2。

2．3 红外通信
    红外通信的方向性很强，可确定特定的对方，维护高度的保密性。而且数据通信速度很快。本系统中，搜救器返回地面后将搜索到的信息通过USB-irC转换器传给计算机时就采用红外通信。其电路图见图3。

2．4 2．4G无线技术
    2．4G无线技术高频通信的频段处于2．405 GHz～2．485 GHz之间，这个频段是国际规定的免费频段，是不需要向国际相关组织交纳任何费用的。它的工作方式是全双工模式传输，不仅传输速率很高，而且抗干扰性很强。本系统中搜救器与识别卡之间的通信采用2．4 GHz高频通信。其电路图见图4。

2．5 显示系统
    搜救器的显示系统采用320x240的65535色自发光低功耗OLED显示屏。与传统的LED显示方式相比，OLED显示技术无需背光灯，而且OLED屏幕更轻更薄，可视角度更大。其电路图见图5。

2．6 温度探测
    搜救器上的温度采集选用单总线数字温度计DS18B20，其电路图见图6。

3 软件设计
    本系统软件设计采用C语言编写，C语言不仅对机器底层硬件操作方便，模块化程度高，而且可读性与可移植性好。该软件设计主要包括初始化模块和功能模块。初始化模块用于配置系统时钟、端口工作方式、嵌套中断向量控制器等；功能模块是由键盘输入、信号处理、温度检测、高频通信、红外通信和显示组成。系统软件设计流程图如图7所示。

4 结论
    本搜救器不仅设备简单、成本低、工程实施方便，而且可靠性、精度和灵敏度都很高。系统能在恶劣环境中长期稳定工作，还可以实时智能处理和分析井下被困人员精确位置信息。系统能够同时接收100人以上的人员信息，传输距离在空旷地面应不低于30 m。搜救器的移动速度可大于5m／s，且漏卡率小于万分之一。此外，搜救器还使用了声光显示等回响，具有友好、人性化的界面。