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、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生，礦井事故發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境和防爆要求一般的探測方式無法實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。每一個動態目標識別卡與井下人員有唯一的對應關系。動態目標識別卡處于常發狀態，每隔一秒就會發射一次標簽信號。搜救器上面的搜救鍵被按下時，搜救器發出連續的搜救信號直到接收到動態目標識別卡發射的標簽信號為止。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USB-irC轉換器將人員識別卡信息傳輸到計算機，經過系統監控軟件的處理，以圖形、表格、動畫等直觀的方式動態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字節的閃存和64k字節的靜態SRAM)，豐富的增強I／O端口和聯接到兩條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，能夠實現耗電最優化。在工業實時控制、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
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。