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(shí)，搜救器通過自動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)需要兩部分來完成：井下搜救器和井下工作人員佩戴的動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)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、顯示屏、CPU板、防水外殼和按鍵組成。每一個(gè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別卡與井下人員有唯一的對應(yīng)關(guān)系。動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別卡處于常發(fā)狀態(tài)，每隔一秒就會(huì)發(fā)射一次標(biāo)簽信號(hào)。搜救器上面的搜救鍵被按下時(shí)，搜救器發(fā)出連續(xù)的搜救信號(hào)直到接收到動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別卡發(fā)射的標(biāo)簽信號(hào)為止。該信號(hào)包含有工作人員的唯一識(shí)別號(hào)，搜救器上預(yù)裝的程序根據(jù)該信號(hào)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(shí)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(dòng)畫等直觀的方式動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前井下人員的分布情況和每個(gè)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(gè)ARM單片機(jī)、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(shí)別卡的信息，將收到的二進(jìn)制信號(hào)送給單片機(jī)處理。單片機(jī)完成信號(hào)解碼、校驗(yàn)，將正確的識(shí)別號(hào)顯示到OLED，并存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)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(gè)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(shí)間為10～14小時(shí)。工作時(shí)間在48小時(shí)以上，待機(jī)時(shí)間為5天。其充電及供電電路圖見圖2。