基于物联网的矿井灾害搜救系统的设计

引 言

近年来，国内煤矿井下事故时有发生，如何加强安全生产和安全监督的工作力度，当灾难降临后如何提高救援和搜救工作效率，是当前迫切需要解决的问题。

矿井由于工作的特殊性，同一位置流动性比较大，正常 情况下，矿井人员定位系统可以有效的对人员进行定位 [1]。但 发生灾害后，矿井所有的电源都切断，地面监控系统以及搜救 人员很难探测到被困人员的位置信息及身体状况信息，随着物 联网技术的发展，设计开发基于物联网的矿井灾害搜救系统， 快速、精确定位被困人员位置信息，具有重要的应用价值 [2]。 

本 文 基 于 物 联 网 技 术，RFID 技 术、ZigBee 技 术， LabVIEW 技术设计了矿井灾害搜救系统，并对系统的组成和 实现方法给出了详细描述。

1 系统硬件电路设计

本系统利用RFID 射频识别卡识别人体的生命特征。系统主要由RFID 传感模块、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。

矿井灾害搜救系统框图如图 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。搜救人员也就能接收到被困人员体征信息，从而有目的的快速实施救援。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。

1.1 被困矿工携带RFID传感终端

矿工数据采集终端的主要功能是实时采集矿工的生命特征并实时上传给数据处理中心。其涵盖了各种测量生命体征的传感器模块、ZigBee 无线发射模块。生命传感器组成生命体征采集部分：体温，呼吸，脉搏，血压等，可利用如脉搏传感器、体温传感器等。信号采集完成后经过A/D 转换、放大等处理后传给微控制器，再通过ZigBee 无线发射模块传给坑道转换设备或上方数据处理中心[3]。

为了尽可能的减少损耗，延长使用时间，传感器节点选用低功耗的单片机 LPC932 作为微控制器，选用NRF905 无线发射器作为数据传输模块，TFT 液晶触摸屏作为界面显示。系统采用NCP1400ASN30T1G 升压芯片，把 1.2 V 电压提升到3.3 V 供给系统各部分作为电源。设计方案示意图如图 2 所示。

1.2 搜救人员搜救器系统

搜救人员进入生命体征检测节点的射频区域覆盖范围时， 就会接收到RFID 射频卡节点的体征信息，搜救人员也就能接收到被困人员的体征信息，这样不仅能有目的的快速实施救援，同时也通过ZigBee 网络向数据管理中心发送信息[4]。

RFID 读卡部分接收到身份信息传给ZigBee 组网模块， 组网模块将身份数据处理成LCD 液晶屏显示的字符串再传给LCD 液晶屏并控制其显示，组网模块通过快速自组网不同于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，ZigBee 核心芯片采用CC2430，其核心电路如图 3 所示。

CC2430 外围扩展电路在器件的数量上很少，具有代表性的外围扩展电路如图 3 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，为了实现最佳的性能，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[5]。

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 [6]。

2 基于 LabVIEW 的数据管理中心系统软件设计

数据管理中心采用LabVIEW 软件设计无线搜救系统监控系统上位机软件。上位机通过ZigBee 模块实时接收和监控每个搜救节点的搜救信息，如果收到节点发来救援目标的求救信息，马上通过上位机显示搜救人员附近救援目标的位置、状态和体温等生命体征，通知搜救人员，为搜救工作的顺利展开提供帮助。

2.1 前面板设计

系统前面板如图 4 所示，基于系统实现的功能，前面板主要由三个部分组成[7]。

(1) 串口接收部分（在系统下方）。当系统正常运行时，VISAresource控件可实现COM口选择，以便准确接收ZigBee接收模块传递的信息 ；也可以实现接收延时调整、读取内容显示等功能。系统开始工作，点击开始按钮，即开始接收串口信息。

(2) 搜救目标信息的显示区（在系统左侧）。当搜救节点没有搜索到目标时，体温显示为 0，一旦搜索到目标，目标所在节点的体温就会显示，且随目标的体温变化实时显示，直到达到监控搜救目标生命体征的目的。

(3) 目标位置直观显示区（在系统右侧）。当搜救目标在两名搜救人员附近时，相应搜救人员手持设备即可以搜索到目标的生命体征信息，在前面板中相应位置的指示灯会发光，即可判断目标位置，当体温不正常时，长方形指示灯会报警，以便搜救人员有目的的进行救援[8]。

2.2 框图程序的设计

框图程序是一种解决编程问题的图形化方法， 实际上是Vl 的程序代码。图 5 所示为本系统的框图程序[9]。类似于传统电路， 程序框图中各种元件的数据连接端口相当于传统仪器电路的接口，用来实现功能的扩展。

首先， 由串口 接 收 部分接收到下位机传递的 信息，即搜救节点传回的 搜救信息，之后，利用字 符串的提取、转移，字符 的比较等函数，如条件函 数、循环函数等，提取出 接收的字符串中的有用信 息，分析搜救人员反馈的 数据，实时接收、实时存储、实时分析、实时反馈，根据上传数据实时判断当前情况， 并在相应的位置显示，控制相应的功能控件 [10]。

3 结 语

基于物联网的矿井搜救系统，可以随时掌握每个矿工的 位置及身体情况。矿井发生事故后，搜救人员携带的设备会 激活节点的体征信息发送功能，使得搜救人员能接收到被困 人员的体征信息及位置信息，从而有目的的制定搜救策略，快 速实施救援。数据中心可以监控搜救人员的位置分布情况和 生命状况，有助于指导搜救行动。 

系统将 RFID 技术与 ZigBee 无线组网模块结合，构成了 整个系统。通过持有多个中间节点，配合上位机信息处理系统， 能够实现生命体征数据采集显示功能。