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(tǒng)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，搜救器通過自動搜索機制，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屏實時顯示當前探測到的人數(shù)、方位、身份等信息；并通過紅外傳送給計算機。
關鍵詞：井下搜救器；Cortex_M3；2．4G；紅外通信

0 引言
近年來，國內礦井事故時有發(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，國內對井下人員搜救的研究較少，還沒有實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)目標識別卡與井下人員有唯一的對應關系。動態(tài)目標識別卡處于常發(fā)狀態(tài)，每隔一秒就會發(fā)射一次標簽信號。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(jù)該信號查尋數(shù)據(jù)庫并在顯示屏顯示。
當回到地面，通過USB-irC轉換器將人員識別卡信息傳輸?shù)接嬎銠C，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ARM單片機、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(jié)的閃存和64k字節(jié)的靜態(tài)SRAM)，豐富的增強I／O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設。Thumb-2指令集帶來了更高的指令效率和更強的性能，通過緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對中斷事件的響應比以往更迅速，工作電壓可以在2．0 V～3．6 V之間，能夠實現(xiàn)耗電最優(yōu)化。在工業(yè)實時控制、計算機外部設備、建筑和安防、儀器儀表、通訊設備、家電消費等各個領域有著廣泛地應用。
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，待機時間為5天。其充電及供電電路圖見圖2。