罗 勇 陈伟利 江 萍
(吉林建筑大学,吉林 长春130118)
系统整体设计方案得拓扑图见图1 所示,整体系统设计包括节点控制定位系统设计,人员生命体征监测系统设计,手机定位APP 系统设计,网络服务器系统设计,数据储存系统设计,网页访问系统设计,云服务器系统设计。
矿井定位采用Zigbee 模块进行设计,根据Zigbee 模块的RSSI 值通过内部运算将输出距离数据,从而获取定位信息,系统将Zigbee 模块设计在井下矿墙之上,根据模块的探测距离将矿下三十平米画作一个探测区域,每个区域设置四个模块以保证无死角覆盖,模块采用自带蓄电池供电,供电稳定,这样能保证正常电源故障时,模块依然持续工作提高安全性以应对多变的矿井环境。
对于人员生命体征监测我们采用智能手环来完成,手环我们采用STC15F2K60S2 作为智能手环的主控芯片,上面还有运动传感器,体温监测传感器,以及心率监测传感器,蓝牙传输模块等,蓝牙模块可以与地面的手机APP 进行实时数据通信,这样能够使得发生危险时,地面工作人员以手机APP 为载体及时的将逃生计划,逃生路线传输给地下佩戴手环的工作人员,工作人员就可以通过手环屏幕上提供的逃生计划,以及逃生路线进行下一步的行动,同时手环还设置了远距离文字传输功能,逃生人员如果在逃生过程中再次发生以外,也可以发出求救信息,以获取最新的逃生方案。
图1 系统框架图
定位APP 主要是实现地表工作人员与逃生人员之间的实时数据共享,以及手机和服务器之间的数据共享。手机在这里起到一个桥梁作用,目的是解决手环和服务器之间的矛盾点,从而保证火灾救援和逃生系统正常运行,并能够应对突发状况做出快速的反应。我们把手机APP 分为正常模式和火灾救援模式两种。在正常模式下只显示佩戴手环的人的心率和血氧值。而在发生火灾时,手环的救援模式则能够及时发出声光报警并定位受困人员位置,方便消防人员进行救护。同时,也为受困人员提供逃生路径,当受困人员等待救援时还可显示救援进度。
我们使用的芯片的内核是ARM Cortex A9,芯片型号为EXYNOS4412,是一款采用了三星的设计工艺,是三星的一款四核处理器,有304 个多功能I/O 端口,164 个存储引脚,37 组通用口,2 组存储口。由于输入输出口的繁多,如果对这些接口直接利用,会造成对芯片运算速度的降低,浪费接口的内部资源,所以需要引用一些辅助手段进行开发,这里我们选用Linux 操作系统辅助开发,系统具有Linux 进程、线程、共享内存、和网络编程,能够提高编程效率,系统具有开放性,能够自由的对内核进行修改和裁剪。Linux 还具备独立性,能够将外部设备当做文件来看,只要安装驱动程序就可以使用。Linux 具有丰富的网络功能,内置网络完善,更重要的是还具有良好的可移植性。
对于数据库我们采用一款轻型的数据库,是遵守ACID 的关系型数据库管理系统,即SQLite3 数据库,它包含在一个相对小的C 库中。它的设计目标是嵌入式的,而且目前已经在很多嵌入式产品中使用了它,它占用资源非常的低,在嵌入式设备中,可能只需要几百K 的内存就够了。网页服务器我们选择Boa 服务器,Boa 是一种非常小巧的Web 服务器,其可执行代码只有大约60KB 左右。作为一种单任务Web 服务器,Boa 支持CGI,能够为CGI 程序fork 出一个进程来执行。Boa 的设计目标是速度和安全。同时我们在Web 浏览器上开发了一套简单明了,方便管理和控制的前端用户平台,让使用人员能够快速掌握我们整个系统,让所有复杂的算法,操作系统简单化,适合广大用户的使用,这就是我们设计Web 前端的终极目的。这个Web 前端就相当于一个总司令一样控制这整个系统,系统每个部分的数据都能够在Web 浏览器上显示、调用和修改。网页上可以对人员的实时情况得到充分的了解,包括人员救助情况,被困人员健康情况等,并且当矿井作业正常时也可以对矿井的实时数据进行显示。
云服务器我们选用阿里云的ECS 服务器,用来接收各个子服务器发来的数据,并处理分析,为每位用户规划最佳逃生路径。
本系统设计理念本着以人为本,生命之上的理念出发,目的是在能对矿井的事实数据得到最准确的监控并传输,以最大限度的保证人员生命安全。在保证人员生命绝对安全的前提下尽可能的降低经济损失。