井下矿工生命信息采集和甲烷浓度检测系统研究

摘要:针对煤矿下的许多不确定因素,为了避免事故的发生,需要不断了解矿工的生命信息和有害气体的浓度。文章利用ARM7平台设计了一个采集和无线传输的系统,用于检测矿工的生命信息和有害气体(主要是甲烷)的浓度,并且通过无线传输到上位机,使工作人员可以连续的掌握矿工的生命信息和有害气体的浓度,从而减少事故的发生。

关键词:井下矿工;生命信息;甲烷浓度;无线传输;检测系统

中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)10-0040-02

我国是一个煤矿大国,煤矿发生的事故层出不穷,为了减少事故的发生,我们需要不断的了解矿工的生命信息,以了解矿工的身体状况,从而确定其现在的身体状况是否适合矿下的工作环境;还有我们需要时刻了解矿下的甲烷浓度,从而确定这样的环境是否适合矿工工作。这就要求我们设计一个采集系统和无线传输系统,本文就根据这种情况设计出以ARM7为中心控制模块和以nRF401为无线传输模块的一个系统,来实时检测矿工生命信息和甲烷浓度的系统。

一、系统总体设计

整个该系统分为主机和从机部分,从机部分由矿工佩带,采集脉搏和血压,通过传感器采集有害气体浓度,再经过A/D转换后进入ARM控制系统,然后通过无线传输将数据传送。从机以S3C44B0X和nRF401为核心,S3C44B0X主要完成对从机系统的控制和简要的数据处理,通过SIO模块发送到nRF401模块,nRF401主要完成数据的发射。

主机系统包括和发送方基本一致的射频收发模块nRF401,以及S3C44B0X为核心的接收信号处理模块,这个操作和从机大致相同。同时S3C44B0X模块通过UART借口与计算机相连,计算机再对数据进行分析和处理,从而了解矿工的身体状况和甲烷浓度。

(一)硬件设计

移动终端硬件系统框图和上位机结构设计框图如图1所示:

图1系统框图

(二)ARM的选择

S3C44B0X专门用于手持移动终端,具有极高的性价比,采用0.25umCMOS制造工艺和新的总线结构SAMBAII,使用ARM7TDMI内核。

(三)传感器的选择

这里选择MC系列催化燃烧式气敏元件,MC系列气敏元件根据催化燃烧效应的原理工作,由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂,遇可燃性气体时检测元件电阻升高,桥路输出电压变量,该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大,补偿元件起参比及温度补偿作用。桥路输出电压呈线性,响应速度快,具有良好的重复性、选择性,元件工作稳定、可靠,抗H2S中毒。

(四)AD转换部分硬件设计

因为预处理输出的信号包括血压和脉搏两路信号,所以要求A/D为双通道采集,且采样精度要大于或等于12位。我们采用16位Σ-ΔA/D转换器AD7705作为采集芯片。该芯片包括由缓冲器和增益可编程放大器 (PGA)组成的前端模拟调节电路,Σ-Δ调制器,可编程数字滤波器等部件。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A/D转换。这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点,非常适合微小信号的采集。当然由于要采集的信号十分微弱,所以我们要首先进行放大滤波。处理如图2所示:

图 2

(五)无线传输芯片的接口电路

S3C44B0X内部有自己的SIO模块,它通过自己的SIO模块与nRF401无线接收芯片相连,并通过天线将数据发送到无线信道中。主机主要完成数据接收和处理,nRF401将接收到的数据通过SIO接口将数据传送到S3C44B0X进行处理,然后通过RS-232电缆线将数据传送到PC机上进行数据处理及分析。S3C44B0X的SIO能与各种类型的串行外设接口,这个SIO能以一定的频率发送和接收8位串行数据。此模块具有以下功能:8位数据缓冲,12位预定标器,8位间隔计数器,时钟选择逻辑,串行数据I/O脚 (SIORXD和SIOTXD),外部时钟输入/输出脚 (SIOCK),DMA运行模式。

(六)无线传输模块设计

无线传输模块的选择至关重要,本设计中我们选用的nRF401的收发芯片,它采用抗干扰能力强的FSK调制方式,工作频率稳定,便于设计生产,功耗极低,适合于便携式手持产品的设计,由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,满足了无线管制要求。nRF401是目前低功耗无线数传芯片的理想选择。 该芯片工作在433MHz ISM频段。在接收模式中,nRF401被配置成传统的外差式接收机,所接收的射频调制的数字信号被低噪声放大器放大,经混频器变换成中频,放大、滤波后进入解调器。解调后变换成数字信号输出 (DOUT端)。在发射模式中,数字信号经DIN端输入,经锁相环和压控振荡器处理后进入功率放大器射频输出。在本系统设计中,为了避免干扰,将基于nRF401的无线收发部分做在一块单独的PCB板上,引出通讯控制接口(J1),组成独立的无线收发模块。该模块与cpu通过简单的四线进行连接,接口设计简单。

二、软件系统

系统软件部分框图如图3所示:

图3

(一)无线通信中的程序设计

该系统设计的关键问题在于数据的无线收发,数据传输应考虑双方的通信协议,有效数据识别和数据的纠错等。nRF401内置了点对点无线通信协议控制和CRC 纠检错硬件电路,数据编解码和CRC产生及校验均由硬件完成。

芯片通过软件设置40位地址,只有收到本机地址时才接收该帧中相应的数据。系统无线通信过程分3步。首先,通信双方定义数据包格式;然后双方交换握手信号,建立起无线通信链路;最后进行数据传输。

PC 通过无线收发模块发出数据请求指令,当下位机收到指令后,作出相应的回答。如有数据则发送数据包,如没有数据则发送状态数据包,当上位机收到下位机的应答数据并校验之后,发送一个确认数据包给下位机以确认数据的正确接收。如果上位机检测到所接收数据有错误,将要求下位机重新发送数据,直到数据全部正确为止,如果一帧数据的通信时间超出限定时间,则此次通信数据作废,若连续多次数据出错或超时,将报告系统无线通信出错,PC 将RS232 串口送来的各种信号数据存放在数据区中并生成相应存储文件。

下位机与上位机数据收发流程图如图4所示:

图4

(二)应用程序的实现

PC将RS232串口送来的各种信号数据存放在数据区中并生成相应存储文件,应用程序对其进行分类、换算、累计等处理后,转换为与其物理含义相一致的数值在界面上显示。

三、结语

本文给出了一种基于嵌入式和无线通信技术的采集传输系统的设计方案。利用无线数传终端将矿工的生命信息和井下的有害气体浓度传到主机,经过上位机软件的分析处理,管理人员可以实时快速地了解重要的矿井下的信息,采取有效方案来减少事故的发生。

参考文献

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[3]王伟,刘文涛.非接触式生命参数获取及信息处理技术研究[J].China Academic Journal Electronic Publishing House.

[4]陈宇杰,王健琦,路国华.非接触式生命信息检测技术的概述[J].医疗卫生设备,2006,(3).

作者简介:杨振杰 (1984-),河南武陟人,成都理工大学信息工程学院通信与信息系统专业硕士研究生,研究方向:信息检测;刘航 (1986-),河南许昌人,河南省电力公司许昌供电公司助理工程师,研究方向:信息检测。

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