煤礦井下人員搜救器的設(shè)計(jì)

摘要：在煤礦井下人員定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制了基于Cortex_M3的手持便攜式人員搜救器。當(dāng)發(fā)生礦難時，搜救器通過自動搜索機(jī)制，由探測被因人員攜帶的2．4G定位卡，通過改變PA增益精確定位被因人員，并且確定其身份；通過2．8寸全彩OLED屏實(shí)時顯示當(dāng)前探測到的人數(shù)、方位、身份等信息；并通過紅外傳送給計(jì)算機(jī)。
關(guān)鍵詞：井下搜救器；Cortex_M3；2．4G；紅外通信

0 引言
    近年來，國內(nèi)礦井事故時有發(fā)生，礦井事故發(fā)生后首要問題是如何快速地搜救受困人員，而限于礦井下的惡劣環(huán)境和防爆要求一般的探測方式無法實(shí)現(xiàn)被困人員的探測和搜救，所以煤礦井下人員搜救器的研究具有重要的意義。目前，國內(nèi)對井下人員搜救的研究較少，還沒有實(shí)用的井下人員搜救器的使用。但是國內(nèi)對于非接觸生命探測的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，尤其是在汶川地震中得到了應(yīng)用，手持式的人員搜救器也必然是井下人員搜救的重要發(fā)展方向。

1 總體設(shè)計(jì)
    為了可以在井下安全工作，搜救器的設(shè)計(jì)過程中采取了一系列的防爆措施。井下搜救器工作時需要兩部分來完成：井下搜救器和井下工作人員佩戴的動態(tài)目標(biāo)識別卡。井下搜救器是一個手持的移動電子儀器，它由定向天線、顯示屏、CPU板、防水外殼和按鍵組成。每一個動態(tài)目標(biāo)識別卡與井下人員有唯一的對應(yīng)關(guān)系。動態(tài)目標(biāo)識別卡處于常發(fā)狀態(tài)，每隔一秒就會發(fā)射一次標(biāo)簽信號。搜救器上面的搜救鍵被按下時，搜救器發(fā)出連續(xù)的搜救信號直到接收到動態(tài)目標(biāo)識別卡發(fā)射的標(biāo)簽信號為止。該信號包含有工作人員的唯一識別號，搜救器上預(yù)裝的程序根據(jù)該信號查尋數(shù)據(jù)庫并在顯示屏顯示。
    當(dāng)回到地面，通過USB-irC轉(zhuǎn)換器將人員識別卡信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，經(jīng)過系統(tǒng)監(jiān)控軟件的處理，以圖形、表格、動畫等直觀的方式動態(tài)顯示當(dāng)前井下人員的分布情況和每個下井人員的行蹤。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
    本搜救器的核心元件為一個ARM單片機(jī)、一個工作在2．4 GHz的高頻通信芯片、320x240的65535色自發(fā)光低功耗OLED顯示屏。高頻芯片用于接收識別卡的信息，將收到的二進(jìn)制信號送給單片機(jī)處理。單片機(jī)完成信號解碼、校驗(yàn)，將正確的識別號顯示到OLED，并存儲到內(nèi)部的FLASH。
2．1 CPU主控部分
    搜救器采用STM32F103VE作為主控制芯片。STM32F103VE是ST公司推出的高性能的Cortex-M3 32位的RISC(精簡指令集)內(nèi)核的ARM。工作頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)512k字節(jié)的閃存和64k字節(jié)的靜態(tài)SRAM)，豐富的增強(qiáng)I／O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。Thumb-2指令集帶來了更高的指令效率和更強(qiáng)的性能，通過緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對中斷事件的響應(yīng)比以往更迅速，工作電壓可以在2．0 V～3．6 V之間，能夠?qū)崿F(xiàn)耗電最優(yōu)化。在工業(yè)實(shí)時控制、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、建筑和安防、儀器儀表、通訊設(shè)備、家電消費(fèi)等各個領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用。
2．2 供電系統(tǒng)
    搜救器的電源由可充電4900MAH的LI電池提供。供電電源為直流3．7 V，最大工作電流為85 mA，充電時間為10～14小時。工作時間在48小時以上，待機(jī)時間為5天。其充電及供電電路圖見圖2。

2．3 紅外通信
    紅外通信的方向性很強(qiáng)，可確定特定的對方，維護(hù)高度的保密性。而且數(shù)據(jù)通信速度很快。本系統(tǒng)中，搜救器返回地面后將搜索到的信息通過USB-irC轉(zhuǎn)換器傳給計(jì)算機(jī)時就采用紅外通信。其電路圖見圖3。

2．4 2．4G無線技術(shù)
    2．4G無線技術(shù)高頻通信的頻段處于2．405 GHz～2．485 GHz之間，這個頻段是國際規(guī)定的免費(fèi)頻段，是不需要向國際相關(guān)組織交納任何費(fèi)用的。它的工作方式是全雙工模式傳輸，不僅傳輸速率很高，而且抗干擾性很強(qiáng)。本系統(tǒng)中搜救器與識別卡之間的通信采用2．4 GHz高頻通信。其電路圖見圖4。

2．5 顯示系統(tǒng)
    搜救器的顯示系統(tǒng)采用320x240的65535色自發(fā)光低功耗OLED顯示屏。與傳統(tǒng)的LED顯示方式相比，OLED顯示技術(shù)無需背光燈，而且OLED屏幕更輕更薄，可視角度更大。其電路圖見圖5。

2．6 溫度探測
    搜救器上的溫度采集選用單總線數(shù)字溫度計(jì)DS18B20，其電路圖見圖6。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語言編寫，C語言不僅對機(jī)器底層硬件操作方便，模塊化程度高，而且可讀性與可移植性好。該軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化模塊和功能模塊。初始化模塊用于配置系統(tǒng)時鐘、端口工作方式、嵌套中斷向量控制器等；功能模塊是由鍵盤輸入、信號處理、溫度檢測、高頻通信、紅外通信和顯示組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

4 結(jié)論
    本搜救器不僅設(shè)備簡單、成本低、工程實(shí)施方便，而且可靠性、精度和靈敏度都很高。系統(tǒng)能在惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定工作，還可以實(shí)時智能處理和分析井下被困人員精確位置信息。系統(tǒng)能夠同時接收100人以上的人員信息，傳輸距離在空曠地面應(yīng)不低于30 m。搜救器的移動速度可大于5m／s，且漏卡率小于萬分之一。此外，搜救器還使用了聲光顯示等回響，具有友好、人性化的界面。