煤矿井下人员安全可穿戴装置研究.pdf

第 44卷 第 8 期 2018年 8 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 8 Aug. 2018 文章编号671-251X201808-0096-04 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018030079 煤 矿 并 下 八 员 安 全 可 穿 戴 装 置 研 究 马裕静， 白东梅， 刘雨田， 马程然， 吴明哲 中国矿业大学北京）机电与信息工程学院， 北 京 100083 摘要 针对井下人员定位系统定位精度较低、 井下人员生命体征监测系统功能不全面的问题， 研究了 一种具有人员定位、 摔倒或躺下姿态监测及心率监测功能的可穿戴装置。该装置采用RSSI测距与步距计 算相结合的方法提高人员定位精度， 采用三轴加速度传感器监测人员的异常动作， 采用心率传感器获取心率 数据。测试结果表明， 该装置可以实现井下人员精确定位， 能够准确判断井下人员是否摔倒、 躺下， 并对异常 状态进行报警。 关键词 井下人员定位； 安全监测；可穿戴装置； 姿态监测；心率监测 中图分类号TD77 文献标志码A 网络出版地址 Gttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180724. 1426. 003. html Research on wearable devices for safety of underground mine personnel MA Yujing, BAI Dongmei, LIU Yutian, MA Chengran, WU Mingzhe School of Mechanical Electronic and Ination Engineering, China University of Mining and TechnologyBeijing , Beijing 100083, China Abstract In view of problems of low positioning accuracy of underground personnel positioning system and incomplete functions of underground personnel vital signs monitoring system, a wearable device with functions of personnel positioning, falling or lying posture monitoring and heart rate monitoring was studied. The device adopts combination of RSSI ranging and step calculation to improve positioning accuracy of underground personnel. Three-axis acceleration sensor is used to detect abnormal movement of person, and heart rate sensor is used to obtain heart rate data. The test results show that the device can achieve accurate positioning of underground personnel, can accurately determine falling or lying posture of underground personnel, and alarm abnormal state. Key words underground personnel positioning; safety monitoring ； wearable device; posture monitoring； heart rate monitoring 〇 引言 随着网络技术和嵌人式技术的发展， 围绕井下 人员安全的各种产品相继被研究开发出来， 其中包 括井下人员定位跟踪系统和井下人员生命体征监测 系统。井下人员定位跟踪系统实现了对井下人员的 实时定位， 但定位精度有待提高[1];煤矿井下人员生 命体征监测系统能够测量井下人员生命体征综合参 数 ， 但其主要功能是生命体征数据的检测和传输[]。 研究新的定位跟踪精度高、 具有人身安全监测、 报警 和危险提示等综合功能的煤矿井下人员安全可穿戴 装置， 对于提高煤矿安全技术水平， 更好地保障人员 安全具有重要价值3 。 本文结合W iFi无线通信技术、 接收信号强度 收稿日期2018-03-26 ;修回日期 2018-06-20 ;责任编辑 胡娴。 基金项目 中央高校基本科研业务专项资金资助项目（ 2017QI04。 作者简介 马裕静（ 1996-，女，山西吕梁人， 本科在读，研究方向为无线传感器网络及应用，E-mail150900259qq. com。 引用格式 马裕静， 白东梅， 刘雨田， 等. 煤矿井下人员安全可穿戴装置研究[J].工矿自动化， 2018， 4486-99. MA YujingBAI DongmeiLIU Yutianet al. Research on wearable devices for safety of underground mine personnel[J]. Industry and MineAutomation， 2018， 448 6-99. 2 0 1 8 年 第 8 期 马 裕 静 等 煤 矿 井 下 人 员 安 全 可 穿 戴 装 置 研 究 97 tUNReceived Signal Strength Indicater, RSSI测 距技术[4]、 计步技术等， 设计了一种集井下人员精确 定位、 异常动作监测及心率监测于一体的煤矿井下 人员安全可穿戴装置。该装置利用\ SS〗 测距和步 距计算模型对井下人员进行定位， 以提高定位精度； 利用三轴加速度传感器进行步距估算和异常动作监 测 ， 利用心率传感器监测人员的生命体征状况。 1可穿戴装置的功能 “ 定位功能。采 用 W iFi模 块 ， 利 用 RSSI测 距和步距 计 算 相 结 合 的 方 法 进 行 井 下 人 员 精 确 定位[ 5 - 6]。 “ 监测功能。井下情况复杂， 井下人员的安 全健康状态需要时刻监测， 因此， 在装置中加入心率 传感器模块， 随时监测状态并传回数据。同时利用 三轴加速度传感器进行井下人员站立、 摔倒、 躺下姿 态监测[ 7 8]。 “ 报警功能。井下工作环境差， 由于光线不 足 、 路面不平， 存在井下人员容易摔倒、 误入危险区 无法自救的问题， 此时井下人员需要向地面发送求 救信号。因此， 装置中设计了报警按键， 用于向总站 发送求救信号， 同时触发警报声。为防止误触， 装置 中设计了求救取消键。 “ 提醒功能。瓦斯浓度是影响井下安全的重 要因素之一， 除此之外， 井下地势地形也会威胁到井 下工 人员 生 安 。 ， 装 中 计 功能， 在遇到危险时可及时发出警报， 提醒井下人员 朝着安全方向撤退。 2装置硬件设计 可穿戴装置分为心率监测模块和跟踪定位装置 2 个部分， 其结构如图1 所示。 b跟踪定位装置 图1心率监测模块和跟踪定位装置结构 Fig. 1 Structure of heart rate monitoring module and tracking and positioning device 心率监测模块将心率传感器、 蓝牙主模块和锂 电池集合在以微处理器MSP430AFE252为核心的 电路板上， 井下人员可戴在手腕上。心率传感器采 用 光 电 容 积 脉 搏 波 （ Photo Plethysmo Graphy， PPG方式测量， 内置绿色发光二极管。采用绿色发 光二极管是基于信噪比的考虑， 绿光可以获得较大 的波动幅度， 从而掩盖掉噪声的影响。蓝牙主模块 用于将心率数据传回蓝牙从模块， 然后显示在液晶 显示屏上。 跟踪定位装置将WiFi模块、 三轴加速度传感 器 、 液晶显示屏、 4 X 4 矩阵键盘、 蓝牙从模块、 充电 电 路 和 锂 电 池 集 合 在 以 单 片 机 MSP430F147IPM 为核心的电路板上， 井下人员可戴在腰上。三轴加 速度传感器实时检测井下人员的工作姿势， 由于人 在不同姿势时重心不一样， 所以戴在腰上可以较准 确地判断井下人员是否摔倒或者躺下。充电电路和 锂电池为该装置供电。 由于目前血压传感器技术不是特别成熟， 若采 用绑带式血压计测血压容易影响井下人员的舒适 度 。待技术较成熟时， 可考虑加入血压传感器， 进一 步保障井下人员安全。 3装置软件设计 煤矿井下人员安全可穿戴装置的核心部分是软 件 ， 软件在Linux系统下选用C 语言开发。 3. 1 人员定位软件设计 RSSI 测 [ 9 ] 为 R A 10“lg 7 1 m 式中R 表示与基站距离为7 时接收端接收到的信 号强度如 果 RSSI值 小于阈值， 表明该人员与基站的距离大于10 m。 人员定位软件流程如图3 所示。 图3人员定位软件流程 Fig. 3 Flow of personnel positioning software 通过测试可知， 人的步距误差为几厘米， 在相距 100 m 的 W iFi基 站 之 间 利 用 RSSI测距和步距计 算方法相结合的模型进行测距， 可将定位误差缩小 到 1 m 以内， 从而实现煤矿井下人员精确定位。 3. 2 摔倒或躺下检测软件设计 由于人正常走路、 躺下、 摔倒时三轴加速度不一 样 ， 所以可以利用该数据判断井下人员的姿势， 一旦 检测到人员躺下或摔倒， 及时进行报警提醒， 以将危 害降至最小[12]。有时候可能由于误碰导致报警， 可 人为取消报警。 跟踪定位装置不断采集三轴加速度传感器的数 据 ， 并通过数据处理得到合加速度。设人正常走路 时的合加速度为阈值加速度心， 将实时采集到的合 加速度与心进行比较， 若 大 于 心 ， 则判定该井下人 员摔倒， 装置报警， 并采取急救措施。设人正常躺下 时的合加速度为阈值加速度a， 将实时采集到的合 加速度与a 进行比较， 如果合加速度接近或者等于 a， 则判定该井下人员躺下， 装置报警， 提醒井下人 员立刻起立， 正常工作。 摔倒或躺下检测软件流程如图4 所示。 图4摔倒或躺下检测软件流程 Fig. 4 Flow of falling or lying down test software 3.3 心率监测软件设计 处于健康状态的人的心率在一个固定范围之 内， 设定 阈 值 心 率 Hr1和 Hr2， Hr1 Hr。如果实 时监测到的心率数据在这个范围之内，表明该人员 生命体征正常， 否则， 装置进行报警， 并且提醒该井 下人员休息。心率监测软件流程如图5 所示。 图5心率监测软件流程 Fig. 5 Flow of heart rate monitoring software 4测试验证 该装置在设计完成后进行了多组实验， 包括人 员定位测试， 摔倒、 躺下测试和心率测试。 选用实验室相对封闭的楼道进行模拟实验， 对 20个采样点进行定位测试， 结 果 见 表 1。其中绝对 误差表示实际位置与测量位置之间的直线距离。由 测 试 结 果 可 知 ， 可 穿 戴 装 置 的 绝 对 误 差 在 1 m 。 采用三轴加速度传感器测量井下人员的加速度 数据， 通过阈值方法判断井下人员是否摔倒、 躺下。 在实验室进行5 0 次模拟实验， 结 果 见 表 2,可见测 试正确率较高。 a.ap/ 2 0 1 8 年 第 8 期马 裕 静 等 煤 矿 井 下 人 员 安 全 可 穿 戴 装 置 研 究 99 表1人员定位测试数据 Table1 Test data of personnel positioning 采 样 点实 际 位测量位置/绝 对 误 序 号置/m，m m m /m 10.10,0.100. 12 0 15 0.05 20.10 2 0. 13 2 10 0.10 30.10 50. 13 5 13 0.13 40 . 10100.15,10.25 0.25 50 . 10140. 13,14. 3 0.30 60 . 10160.10,16. 500.50 70.10 200.10,20. 530.53 80.10 250.10,25. 55 0.55 90.10 300.10,30. 61 0.61 100.10 350.10,35. 65 0.65 110.10 400.10,40. 680.68 120.10 450.10,45.70.;0 130.10 50 0.10,50.73 0.;3 140.10 55 0.10,55.76 0.;6 150.10 60 0.10,60.81 0.81 160.10 640.10,64. 950.95 170.10 660. 15， 66. 350.35 180.10 70 0.13,70.25 0.25 190.10 75 0.14,75.15 0.15 200.10 800.12,80.120.12 表2摔倒或躺下测试数据 Table 2 Test data of falling or lying down 动 作实验次数报警次数正确率/ 摔 倒504998 躺 下5050100 直 走500100 5结语 介绍了煤矿井下人员安全可穿戴装置的功能及 其软硬件设计。煤矿井下人员安全可穿戴装置集成 了井下人员精确定位、 人员摔倒或躺下检测、 心率监 测等功能， 既能够全面获取人员运动信息和安全信 息 ， 也可以提醒作业人员停止异常动作。测试结果 表明， 该装置可以精确定位井下人员， 判断井下人员 是否摔倒、 躺下， 并对异常状态进行报警。 参 考 文 献 （ References [ 1 ] 郑召文， 王刚， 孙继平.基于RFID技术的井下人员实 时管理系统[R ].煤矿安全， 2006,376 65-68. 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