煤礦井下人員搜救器的設計

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

0 引言
近年來(lái)，國內礦井事故時(shí)有發(fā)生，礦井事故發(fā)生后首要問(wèn)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(wú)法實(shí)現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，國內對井下人員搜救的研究較少，還沒(méi)有實(shí)用的井下人員搜救器的使用。但是國內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 總體設計
為了可以在井下安全工作，搜救器的設計過(guò)程中采取了一系列的防爆措施。井下搜救器工作時(shí)需要兩部分來(lái)完成：井下搜救器和井下工作人員佩戴的動(dòng)態(tài)目標識別卡。井下搜救器是一個(gè)手持的移動(dòng)電子儀器，它由定向天線(xiàn)、顯示屏、CPU板、防水外殼和按鍵組成。每一個(gè)動(dòng)態(tài)目標識別卡與井下人員有唯一的對應關(guān)系。動(dòng)態(tài)目標識別卡處于常發(fā)狀態(tài)，每隔一秒就會(huì )發(fā)射一次標簽信號。搜救器上面的搜救鍵被按下時(shí)，搜救器發(fā)出連續的搜救信號直到接收到動(dòng)態(tài)目標識別卡發(fā)射的標簽信號為止。該信號包含有工作人員的唯一識別號，搜救器上預裝的程序根據該信號查尋數據庫并在顯示屏顯示。
當回到地面，通過(guò)USB-irC轉換器將人員識別卡信息傳輸到計算機，經(jīng)過(guò)系統監控軟件的處理，以圖形、表格、動(dòng)畫(huà)等直觀(guān)的方式動(dòng)態(tài)顯示當前井下人員的分布情況和每個(gè)下井人員的行蹤。本系統結構框圖如圖1所示。

2 硬件設計
本搜救器的核心元件為一個(gè)ARM單片機、一個(gè)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)制信號送給單片機處理。單片機完成信號解碼、校驗，將正確的識別號顯示到OLED，并存儲到內部的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(jiǎn)指令集)內核的ARM。工作頻率可達72 MHz，內置高速存儲器(高達512k字節的閃存和64k字節的靜態(tài)SRAM)，豐富的增強I／O端口和聯(lián)接到兩條APB總線(xiàn)的外設。Thumb-2指令集帶來(lái)了更高的指令效率和更強的性能，通過(guò)緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對中斷事件的響應比以往更迅速，工作電壓可以在2．0 V～3．6 V之間，能夠實(shí)現耗電最優(yōu)化。在工業(yè)實(shí)時(shí)控制、計算機外部設備、建筑和安防、儀器儀表、通訊設備、家電消費等各個(gè)領(lǐng)域有著(zhù)廣泛地應用。
2．2 供電系統
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(shí)間為10～14小時(shí)。工作時(shí)間在48小時(shí)以上，待機時(shí)間為5天。其充電及供電電路圖見(jiàn)圖2。