采礦工人生理狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮 禹，劉 軍

(武警工程大學(xué)研究生管理大隊(duì)，陜西西安 710086)

采礦工人生理狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮 禹，劉 軍

(武警工程大學(xué)研究生管理大隊(duì)，陜西西安 710086)

采礦工人生理狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是工人礦井下作業(yè)時(shí)，進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間地采集、監(jiān)測(cè)心電、呼吸、體溫、血氧飽和度和體動(dòng)等參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)南到y(tǒng)。針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備對(duì)工人狀態(tài)掌控缺乏、礦難頻發(fā)等重大問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款無(wú)線、可穿戴、無(wú)創(chuàng)、低心理負(fù)荷的多參數(shù)采礦工人生理狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便準(zhǔn)確地了解井下工人生理狀況，及時(shí)預(yù)防危險(xiǎn)狀況發(fā)生，安全順利地完成采礦工作。

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸;生理狀況;監(jiān)測(cè)

近年來(lái)，礦難事故的頻繁發(fā)生暴露出大部分煤礦監(jiān)控系統(tǒng)存在著嚴(yán)重問(wèn)題。隨著信息化技術(shù)水平的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的有線監(jiān)控設(shè)備易損壞、不易移動(dòng)等缺點(diǎn)的暴露，無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)得到了人們的認(rèn)可。生理狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是解決環(huán)境與個(gè)人體質(zhì)兩者關(guān)系的最優(yōu)方案。為提高生產(chǎn)安全，預(yù)防和減少損傷，國(guó)內(nèi)外科研人員開(kāi)發(fā)了多種生理狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但設(shè)計(jì)缺乏針對(duì)性且價(jià)格昂貴。隨著礦難事故頻發(fā)，為準(zhǔn)確了解工人的生理狀況，有效預(yù)防事故，設(shè)計(jì)了一種符合采礦工人的生理狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)采礦工人井下作業(yè)的需要，通過(guò)對(duì)WBSN技術(shù)、ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議和可穿戴技術(shù)的分析研究，在需求分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。結(jié)合嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的特點(diǎn)，分別完成硬件和軟件設(shè)計(jì)，最終進(jìn)行系統(tǒng)集成，建立一套適用于井下作業(yè)實(shí)時(shí)傳輸?shù)纳頎顩r監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)組成及工作原理

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，遵循模塊化設(shè)計(jì)原則，將系統(tǒng)分為3大組成部分，分別是生理信息采集和處理模塊、無(wú)線收發(fā)模塊以及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和顯示模塊。系統(tǒng)整體組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

生理信息采集和處理模塊集成在礦工的衣服上，由礦工按鍵啟動(dòng)采集指令，主要采集工人的心率、呼吸、體溫等生理參數(shù)，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理和數(shù)據(jù)融合，再通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和顯示模塊，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和顯示模塊可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、顯示、存儲(chǔ)和回放。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件電路框圖

通過(guò)分析礦工的工作特點(diǎn)，按照層次化設(shè)計(jì)思想，綜合考慮節(jié)點(diǎn)的使用場(chǎng)景、擴(kuò)展性、穩(wěn)定性和可靠性等因素，設(shè)計(jì)硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路框圖

2.2 處理器模塊

由于系統(tǒng)主要用于采礦工人生理狀況監(jiān)測(cè)，對(duì)系統(tǒng)的安全性、可靠性、體積和功耗等都有較高的要求，因此選擇CC2530芯片。CC2530集成了微處理器、存儲(chǔ)器和射頻模塊，無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)更靈活，并帶有TI全球唯一地址編碼，可進(jìn)行有效地跟蹤和定位。

2.3 傳感器單元

2.3.1 心電模塊

心電信號(hào)是心臟有規(guī)律收縮和舒張過(guò)程中心肌細(xì)胞產(chǎn)生的原發(fā)性信號(hào)，它反映心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過(guò)程中的生物電變化［1］，可用于檢測(cè)各種心律失常、心肌病變、心肌梗塞及心肌缺血等心血管疾病。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，心電采集、放大電路主要由電極采集、前置放大、屏蔽驅(qū)動(dòng)、右腿驅(qū)動(dòng)、低高通濾波、50 Hz工頻陷波、二級(jí)運(yùn)放、電平提升和A/D轉(zhuǎn)換8部分組成，如圖3所示。

圖3 心電采集、放大電路框圖

2.3.2 呼吸模塊

呼吸信號(hào)的檢測(cè)電路由激勵(lì)源電路、前置放大電路、檢波整流電路、濾波放大電路組成，如圖4所示。首先由激勵(lì)源電路產(chǎn)生頻率為62.5 kHz，幅值為2 mA的恒流激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)心電電極將恒流激勵(lì)信號(hào)輸入人體，周期性呼吸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻抗變化反映在兩電極之間的電壓變化上，檢測(cè)電壓信號(hào)，并經(jīng)過(guò)前置放大完成初步放大，利用檢波整流電路提取有用信號(hào)，再通過(guò)濾波電路濾除多余頻段信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)放大得到呼吸信號(hào)。

圖4 呼吸信號(hào)檢測(cè)電路

2.3.3 體溫模塊

為保證體溫監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，文中采用三點(diǎn)測(cè)溫、外接電源的供電方式，取平均值作為測(cè)量體溫。電路連接如圖5所示。

圖5 體溫模塊電路圖

2.3.4 血氧飽和度模塊

采用CSN604血氧飽和度OEM模塊檢測(cè)礦工的血氧飽和度，模塊運(yùn)用光電容積脈搏波描記法［2－5］(Photo Plethysmo Graph，PPG)，建立無(wú)創(chuàng)血氧飽和度測(cè)量模型，結(jié)合朗伯－比爾定律，根據(jù)皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等對(duì)光的吸收恒定不變，而動(dòng)脈血液中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)光的吸收量不同的原理，通過(guò)帶有傳感器的血氧探頭直接置于體表動(dòng)脈處進(jìn)行活體血氧飽和度檢測(cè)。其檢測(cè)原理如圖6所示。

圖6 血氧飽和度檢測(cè)原理圖

2.3.5 體動(dòng)模塊

采用三維加速度傳感器MMA7260QT實(shí)現(xiàn)體動(dòng)信息的采集。MMA7260QT由兩個(gè)表面微加工電容傳感單元(g－cell)和信號(hào)調(diào)理電路(ASIC)組成。工作原理:g－cell可視為一組連接到可移動(dòng)中間單元的橫梁。隨著系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)獲得一個(gè)加速度，中間單元偏離平衡位置在兩個(gè)固定梁之間移動(dòng)，連接到中間單元的橫梁也隨之運(yùn)動(dòng)，它距一邊固定梁的距離增加，距另一邊固定梁的距離就減少，橫梁上有兩個(gè)背對(duì)的電容，隨著距離變化電容值也在改變，即:C=Aε/D，其中A是橫梁的面積;ε是介電常數(shù);D是到固定梁的距離。ASIC利用開(kāi)關(guān)電容技術(shù)測(cè)量g－cell的電容值并根據(jù)兩個(gè)不同電容值計(jì)算出加速度。原理如圖7所示。

圖7 MMA7260QT工作原理圖

2.4 電源模塊

系統(tǒng)選用鋰電池供電，根據(jù)各模塊的工作電壓和電流消耗，如表1所示，初步設(shè)定連續(xù)監(jiān)測(cè)24 h，理論測(cè)算并結(jié)合實(shí)際使用，選擇總?cè)萘繛? 500 mAh，電壓為3.6 V的鋰電池供電。

表1 各模塊的工作電壓和電流消耗

根據(jù)表1各模塊工作電壓，結(jié)合3類電源管理芯片的特性，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)電源模塊，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)電源模塊框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟［6－7］，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分3個(gè)部分:復(fù)合采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)和監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 復(fù)合采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

復(fù)合采集節(jié)點(diǎn)程序負(fù)責(zé)生理信號(hào)的采集和無(wú)線發(fā)送，復(fù)合采集節(jié)點(diǎn)上電后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，然后向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，允許加入網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)行時(shí)間同步調(diào)整，與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器達(dá)到同步，再啟動(dòng)生理信號(hào)采集子程序，分別采集工人的心電、呼吸、體溫、血氧飽和度、體動(dòng)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上。復(fù)合采集節(jié)點(diǎn)主程序流程圖如圖9所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序主要管理整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點(diǎn)的加入數(shù)據(jù)的匯總、處理和分析，并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送到監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)，傳遞來(lái)自監(jiān)控中心的消息指令。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括端口初始化、定時(shí)器初始化、射頻初始化、控制字初始化和中斷設(shè)置。建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送同步消息，使復(fù)合采集節(jié)點(diǎn)與自身達(dá)到同步。等待，接收數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)類型，若為復(fù)合采集節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，則分配網(wǎng)絡(luò)地址;若為采集的生理信息，則通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。具體流程如圖10所示。

圖9 復(fù)合采集節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

3.3 監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)軟件采用Delphi語(yǔ)言編寫(xiě)，主要用于對(duì)所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、管理、存儲(chǔ)和回放分析，并可以通過(guò)友好界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。程序主界面如圖11所示。

圖10 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序流程圖

圖11 程序主界面

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)采礦工人生理狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了詳實(shí)的介紹，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體框架，并對(duì)系統(tǒng)的硬件、軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)結(jié)合無(wú)線軀體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ZigBee技術(shù)和可穿戴式技術(shù)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦工的生理狀況，采集礦工生理參數(shù)，使管理者可根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)每名工人的工作強(qiáng)度和工作中心理情緒變化，了解礦工對(duì)井下環(huán)境的適應(yīng)能力，及時(shí)調(diào)整人員，提高工作效率，對(duì)防止人員傷亡和意外事故的發(fā)生起到了重要作用。

［1］劉克球.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)［M］.北京:北京人民出版社，1988.

［2］馬藝聞.用激光散射方法研究人體外周血液循環(huán)［D］.天津:天津大學(xué)，2002.

［3］SHEREBRIN M H，SHEREBRIN R Z.Frequency analysis of the peripheral pulse wave detected in the finger with a photoplethysmogragh［J］.IEEE Transactions on BME，1990，37(3):313－317.

［4］壬怡，祁燕，孫立，等.以皮下反射光觀測(cè)微循環(huán)方法及實(shí)用儀器［J］.中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，1994，13(3):255 －259.

［5］馮友賢.血管外科學(xué)［M］.上海:上海科學(xué)出版社，1992.

［6］賴麒文.單片機(jī)C語(yǔ)言軟件設(shè)計(jì)的藝術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［7］王選.軟件設(shè)計(jì)方法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1992.

Design of Mining Workers'Physiological Status Monitoring System

FENG Yu，LIU Jun
(Graduate School of Management Brigade，Engineering College of Armed Police Force，Xi'an 710086，China)

The mining workers'physiological status monitoring system is a system to realize real-time，continuous and long time detection of workers'ECG，respiration，body temperature，blood oxygen saturation and body movement and to realize wireless data transmission.In view of the lack of control of workers'status by traditional monitoring equipments and the high frequency of mine accidents，we have designed a set of wireless，wearable，and non-invasive multi-parameter physiological monitoring system to display the physiological status of mining workers accurately，to prevent dangers timely，and to achieve a smooth，safe completion of the mining task.

wireless data transmission;physiological status;monitoring

TP277

A

1007－7820(2012)08－096－05

2012-02-29

馮禹(1989—)，女，碩士研究生。通信技術(shù)。劉軍(1963—)，男，教授。研究方向:無(wú)線數(shù)據(jù)通信，電子技術(shù)應(yīng)用。