论文部分内容阅读
摘 要：煤矿发生事故后，如何提高救援效率是迫切需要解决的问题。文章基于RFID技术、ZigBee技术及LabVIEW软件，设计了一个矿井灾害搜救系统。该系统在发生矿难时，通过搜救人员的手持搜救器，可以搜索有效检测范围内被困矿工的位置信息，监测矿工体温、心率等参数信息，同时利用ZigBee无线传输到数据管理中心。数据管理中心基于LabVIEW设计搜救系统的监控界面，及时掌握搜救人员及被困人员的位置信息，从而实现及时救援的目的。该监测系统设计简单直观，使用方便，简化了系统的硬件结构，并且易于修改，具有很好的可扩展性。
关键词：物联网；LabVIEW；ZigBee；RFID；矿井搜救
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）01-00-03
0 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。
图1 矿井灾害搜救系统框图
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]。
图2 携带RFID传感终端的系统设计方案示意图
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，VISA resource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]。
图4 矿井搜救系统前面板
图5 矿井搜救系统的程序框图
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。
参考文献
[1] 王娟.基于RFID的新型交互式生命搜救仪器[J].电子技术，2010（10）：52-54.
[2] 潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京：电子工业出版社，2011.
[3] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[4] 王殊，阎毓杰，胡富平，等.无线传感器网络的理论及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[5] 周鸿仁，刘秀蓉，杜晓松，等.温度传感器与快速测温[J].世界电子元器件， 1997（7）： 58-59.
[6] 贺章擎，涂玲英，姜天杰.基于5 1MPU的嵌人式无线传感器网络节点设计[J].自动化与仪器仪表，2008（1）：29-31.
[7] 侯国屏，王坤，叶齐鑫，等.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社， 2005.
[8] 邓焱，王磊.LabVIEW 7.1测试技术与仪器应用[M].北京：机械工业出版社，2006.
[9] 靖苏铜，赵福堂.基于LabVIEW的热电偶温度测量系统[J].仪器仪表标准化与计量，2005（6）：37-39.
[10]王建群，南金瑞，孙逢春，等.基于LabVIEW的数据采集系统的实现[J].计算机工程与应用，2003（21）：122-125.
关键词：物联网；LabVIEW；ZigBee；RFID；矿井搜救
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）01-00-03
0 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。
图1 矿井灾害搜救系统框图
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]。
图2 携带RFID传感终端的系统设计方案示意图
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，VISA resource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]。
图4 矿井搜救系统前面板
图5 矿井搜救系统的程序框图
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。
参考文献
[1] 王娟.基于RFID的新型交互式生命搜救仪器[J].电子技术，2010（10）：52-54.
[2] 潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京：电子工业出版社，2011.
[3] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[4] 王殊，阎毓杰，胡富平，等.无线传感器网络的理论及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[5] 周鸿仁，刘秀蓉，杜晓松，等.温度传感器与快速测温[J].世界电子元器件， 1997（7）： 58-59.
[6] 贺章擎，涂玲英，姜天杰.基于5 1MPU的嵌人式无线传感器网络节点设计[J].自动化与仪器仪表，2008（1）：29-31.
[7] 侯国屏，王坤，叶齐鑫，等.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社， 2005.
[8] 邓焱，王磊.LabVIEW 7.1测试技术与仪器应用[M].北京：机械工业出版社，2006.
[9] 靖苏铜，赵福堂.基于LabVIEW的热电偶温度测量系统[J].仪器仪表标准化与计量，2005（6）：37-39.
[10]王建群，南金瑞，孙逢春，等.基于LabVIEW的数据采集系统的实现[J].计算机工程与应用，2003（21）：122-125.