礦井實時環境監測系統設計

羅 勇 陳偉利 江 萍

（吉林建筑大學，吉林 長春130118）

1 系統整體框架設計

系統整體設計方案得拓撲圖見圖1 所示，整體系統設計包括節點控制定位系統設計，人員生命體征監測系統設計，手機定位APP 系統設計，網絡服務器系統設計，數據儲存系統設計，網頁訪問系統設計，云服務器系統設計。

2 礦井人員定位系統設計

礦井定位采用Zigbee 模塊進行設計，根據Zigbee 模塊的RSSI 值通過內部運算將輸出距離數據，從而獲取定位信息，系統將Zigbee 模塊設計在井下礦墻之上，根據模塊的探測距離將礦下三十平米畫作一個探測區域，每個區域設置四個模塊以保證無死角覆蓋，模塊采用自帶蓄電池供電，供電穩定，這樣能保證正常電源故障時，模塊依然持續工作提高安全性以應對多變的礦井環境。

3 人員生命體征監測系統設計

對于人員生命體征監測我們采用智能手環來完成，手環我們采用STC15F2K60S2 作為智能手環的主控芯片，上面還有運動傳感器，體溫監測傳感器，以及心率監測傳感器，藍牙傳輸模塊等，藍牙模塊可以與地面的手機APP 進行實時數據通信，這樣能夠使得發生危險時，地面工作人員以手機APP 為載體及時的將逃生計劃，逃生路線傳輸給地下佩戴手環的工作人員，工作人員就可以通過手環屏幕上提供的逃生計劃，以及逃生路線進行下一步的行動，同時手環還設置了遠距離文字傳輸功能，逃生人員如果在逃生過程中再次發生以外，也可以發出求救信息，以獲取最新的逃生方案。

圖1 系統框架圖

4 救援定位APP 系統設計

定位APP 主要是實現地表工作人員與逃生人員之間的實時數據共享，以及手機和服務器之間的數據共享。手機在這里起到一個橋梁作用，目的是解決手環和服務器之間的矛盾點，從而保證火災救援和逃生系統正常運行，并能夠應對突發狀況做出快速的反應。我們把手機APP 分為正常模式和火災救援模式兩種。在正常模式下只顯示佩戴手環的人的心率和血氧值。而在發生火災時，手環的救援模式則能夠及時發出聲光報警并定位受困人員位置，方便消防人員進行救護。同時，也為受困人員提供逃生路徑，當受困人員等待救援時還可顯示救援進度。

5 網絡服務器系統設計

我們使用的芯片的內核是ARM Cortex A9，芯片型號為EXYNOS4412，是一款采用了三星的設計工藝，是三星的一款四核處理器，有304 個多功能I/O 端口，164 個存儲引腳，37 組通用口，2 組存儲口。由于輸入輸出口的繁多，如果對這些接口直接利用，會造成對芯片運算速度的降低，浪費接口的內部資源，所以需要引用一些輔助手段進行開發，這里我們選用Linux 操作系統輔助開發，系統具有Linux 進程、線程、共享內存、和網絡編程，能夠提高編程效率，系統具有開放性，能夠自由的對內核進行修改和裁剪。Linux 還具備獨立性，能夠將外部設備當做文件來看，只要安裝驅動程序就可以使用。Linux 具有豐富的網絡功能，內置網絡完善，更重要的是還具有良好的可移植性。

6 數據儲存及網頁訪問系統設計

對于數據庫我們采用一款輕型的數據庫，是遵守ACID 的關系型數據庫管理系統，即SQLite3 數據庫，它包含在一個相對小的C 庫中。它的設計目標是嵌入式的，而且目前已經在很多嵌入式產品中使用了它，它占用資源非常的低，在嵌入式設備中，可能只需要幾百K 的內存就夠了。網頁服務器我們選擇Boa 服務器，Boa 是一種非常小巧的Web 服務器，其可執行代碼只有大約60KB 左右。作為一種單任務Web 服務器，Boa 支持CGI，能夠為CGI 程序fork 出一個進程來執行。Boa 的設計目標是速度和安全。同時我們在Web 瀏覽器上開發了一套簡單明了，方便管理和控制的前端用戶平臺，讓使用人員能夠快速掌握我們整個系統，讓所有復雜的算法，操作系統簡單化，適合廣大用戶的使用，這就是我們設計Web 前端的終極目的。這個Web 前端就相當于一個總司令一樣控制這整個系統，系統每個部分的數據都能夠在Web 瀏覽器上顯示、調用和修改。網頁上可以對人員的實時情況得到充分的了解，包括人員救助情況，被困人員健康情況等，并且當礦井作業正常時也可以對礦井的實時數據進行顯示。

7 云服務器設計

云服務器我們選用阿里云的ECS 服務器，用來接收各個子服務器發來的數據，并處理分析，為每位用戶規劃最佳逃生路徑。

8 結論

本系統設計理念本著以人為本，生命之上的理念出發，目的是在能對礦井的事實數據得到最準確的監控并傳輸，以最大限度的保證人員生命安全。在保證人員生命絕對安全的前提下盡可能的降低經濟損失。