基于物聯網的無線礦井災害人員搜救系統的設計

劉忠富

摘 要： 基于RFID技術、ZigBee技術，設計了基于物聯網的無線礦井災害人員搜救系統。在發生礦難時，搜救人員通過手持搜救器，可以搜索有效檢測范圍內被困礦工的位置信息，監測礦工體溫，心率等參數信息，利用ZigBee無線傳輸到數據管理中心。該監測系統設計簡單直觀，使用方便，簡化了系統硬件結構，并且易于修改，具有很好的可擴展性。

關鍵詞： 礦井搜救； 物聯網； RFID； ZigBee； CC2430

中圖分類號： TN911?34； TD65 文獻標識碼： A 文章編號： 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

近年來，煤礦井下災害時有發生，發生災害后，井下被困人員與地面人員的信息聯系被切斷，地面人員難以掌握被困人員的身體狀況及準確位置信息[1]。傳統的措施是組織搜救人員進入礦井下，對被困人員進行搜救。但由于信息溝通不及時，搜救人員很難實時監測到井下工作人員的分布情況，災害搜救的效率很低，同時，井上人員也難以掌握搜救人員的位置信息及搜救情況[2]。因此，精準發現被困人員并且對其進行精確定位，同時及時掌握搜救信息成為災害發生后搜救成功與否的關鍵所在。

礦井發生災害后，井下所有供電都切斷，原有的礦井人員定位裝置不能正常工作，但由于礦工攜帶的RFID射頻卡是鋰電池供電，因此仍然在工作[3]。本文基于物聯網技術，設計了無線礦井災害人員搜救系統，搜救人員利用手持的搜救裝置，可以搜索有效檢測范圍內被困礦工的位置信息，監測礦工身體狀況信息，利用ZigBee無線傳輸到數據管理中心，使災害搜救能及時有效的進行。

1 系統總體方案設計

系統主要由被困礦工攜帶的RFID射頻卡、搜救人員手持設備（包括RFID讀卡部分、ZigBee部分）和井上數據管理中心組成。系統框圖如圖1所示。

正常情況下，井下人員定位系統正常工作。發生災害時，井下斷電，人員定位系統停止工作。但礦工攜帶的RFID射頻卡由于是鋰電池供電，仍然可以正常工作，不斷采集人體生命體征信息并發送信息。搜救人員攜帶的搜救設備不斷發出信號激活其信號覆蓋區域的射頻卡，并采集出射頻卡內礦井人員的身份信息編碼，同時，搜救人員手持設備還具有ZigBee組網功能，不同搜救人員手持設備可以迅速組網，發送搜救人員位置信息到井上數據管理中心，數據管理中心收到此信息后，利用基于LabVIEW的軟件實現對礦井搜救人員以及被困礦工實時監控，分析計算被困人員所在的位置。

2 搜救人員手持搜救器系統設計

搜救人員手持搜救器系統以低功耗單片機LPC935為核心，使用1.2 V鋰電池供電，系統包含電源升壓電路，以nRF905為核心的RFID讀卡電路、ZigBee網絡節點電路以及觸摸屏人機接口電路。系統運用射頻識別技術實現對被困人員位置等信息進行近距離采集，然后結合ZigBee技術實現信息的遠距離傳輸。系統框圖如圖2所示。

2.1 電源升壓電路

搜救器系統采用1.2 V鋰電池供電，而LPC935單片機、nRF905射頻發射電路等模塊電壓都是3.3 V，因此需要將1.2 V電池供電電壓升到3.3 V的電壓，供給系統各部分作為電源。電壓升壓電路選用ON Semicondutor公司生產的NCP1400ASN30T1G電源芯片[4]。其應用電路如圖3所示。

圖3中，輸入電容[C7]值為10 μF，其作用是穩定輸入電壓，并且可使電源的峰值電流波紋最小。輸出電容[C4]的作用是在芯片內部MOSFET導通時維持輸出電壓及消除波紋。二極管D3應滿足正向電壓低、反向恢復時間短以及反向電壓高于輸出電壓等特點，因此選擇IN5819或IN4148。電感[L1]取22 μH，電感的直流電阻越小，轉換效率越高。

2.2 RFID讀卡電路

RFID讀卡電路完成對其覆蓋范圍內的被困礦工射頻卡信息讀取的功能，其電路圖如圖4所示。讀卡電路以nRF905為核心[5]，整個電路包括時鐘振蕩電路、天線匹配網絡、電源濾波及保護電路。時鐘振蕩電路晶振為16 MHz，ANT1和ANT2為天線連接引腳，外接單天線終端裝置。nRF905采用全向天線[6]。系統采用單端連接的50 Ω阻抗天線，因此，在芯片天線連接引腳和天線之間加一個匹配網絡。

2.3 ZigBee節點設計

ZigBee節點采用CC2430作為主控芯片[7]，電路如圖5所示，RF輸入/輸出是高阻抗、差分信號，RF端口的最佳差分負載是18j+115 Ω，為了實現最佳性能，設計采用低成本的電感電容實現，采用[C341，L341，L321]和[L331]以及一個PCB微帶傳輸線，這將匹配RF輸入/輸出為50 Ω。天線的類型是標準的折疊偶極子，偶極子有一個虛接地點，因此提供偏置不會影響天線的性能[8]。偏置電阻是[R221]和[R261，]偏置電阻[R221]用于為32768晶振提供一個精密的偏置電阻，而在晶振的設計上采用了兩個晶振的選擇性使用，外部32 MHz晶振XTAL1有兩個負載電容（[C191]和[C211]），XTAL2是一個可選用的32.768 kHz晶振。

3 系統軟件設計

搜救器系統用于井下被困人員攜帶的射頻卡的數據采集，一方面搜救器系統不斷發出RFID聯絡信號激活通過其信號覆蓋區域的射頻卡并建立同步，采集出射頻卡內被困礦井人員的身份信息，另一方面搜救器系統通過接入ZigBee網絡，將代表礦井巷道地理位置的搜救器編碼連同采集到的人員數據一起發送至地面監控計算機。

搜救器系統通信程序框圖如圖6所示。搜救器每10 s發送一次幀頭為0xFF的廣播信號，一方面激活進入搜救器信號覆蓋區的射頻卡，另一方面與射頻卡建立同步或定時器校準[9]。為了保證所有射頻卡都能收到同步信號，這里令基站每10 s都連發兩次廣播信號。由于廣播信號不需要接收射頻卡的應答信號，廣播信號發送完畢后，搜救器的nRF905由發送模式轉換為接收模式，準備接收射頻卡的RTS請求發送信號，同時啟動超時退出計數器，以便10 s后再次發送廣播信號[10]。

圖6 搜救器系統程序框圖

4 結 語

本文基于物聯網技術設計了無線礦井災害搜救系統。系統采用RFID技術、ZigBee技術，可以在礦井發生災害后，利用搜救人員手持的搜救器實時監測被困礦工的身體信息及位置信息，同時把搜救信息上傳到地面監控中心。本系統具有一定的實用價值，可以推廣到火災、地震等特殊工作現場搜救系統中。

參考文獻

[1] 程根銀，吳懷俊.淺談礦井重大災害事故處理技術發展[J].煤炭科技，2001（2）：49?51.

[2] 劉宇.礦井人員定位、管理、搜救系統的設計[D].北京：北京郵電大學，2008.

[3] 郭京京.基于ZigBee+RFID技術對搜救人員信息采集及傳輸的研究[J].中國集成電路，2013（8）：43?46.

[4] 彭超然.基于線陣CCD的人機交互技術研究[D].杭州：浙江大學，2011：20?21.

[5] 王娟.基于RFID的新型交互式生命搜救儀器[J].電子技術，2010（10）：52?54.

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

[7] 張亞瓊，杜永桂.基于CC2430的ZigBee智能傳感器網絡研究及應用[J].儀表技術，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.

[9] 魏煜欣.礦山井下人員定位系統中無線通信技術研究與開發[D].長沙：湖南大學，2008：61?63.

[10] 王坤，林明星.一種基于人員定位的礦井綜合通信系統[J].計算機應用研究，2005（8）：217?219.