河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 2總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的功能要求基于礦工工作安全需求，系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：生理指標(biāo)檢測機(jī)制是借助采用連續(xù)監(jiān)控的方式來對礦工的心律、血氧水平以及體溫進(jìn)行評估，當(dāng)發(fā)現(xiàn)這些指標(biāo)出現(xiàn)偏離正常范圍的情況時(shí)，便會(huì)立刻啟動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。環(huán)境指標(biāo)監(jiān)控工作主要是針對礦井內(nèi)部的空氣品質(zhì)、一氧化碳水平以及濕度情況展開監(jiān)測，在監(jiān)測過程中，一旦發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)出現(xiàn)超出預(yù)先設(shè)定安全界限的狀況，便會(huì)馬上啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，以此來保障安全。定位監(jiān)控是借助RFID技術(shù)達(dá)成對礦工于各個(gè)作業(yè)區(qū)域動(dòng)態(tài)位置的精準(zhǔn)捕獲以及跟蹤，該技術(shù)可詳細(xì)記錄礦工在不同作業(yè)區(qū)域所處的具體位置，實(shí)現(xiàn)對其動(dòng)態(tài)位置的精確監(jiān)測，憑借這種方式，可以實(shí)時(shí)掌握礦工的行蹤，為保障礦工的安全以及高效開展工作提供有力支持。（4）數(shù)據(jù)顯示：在OLED屏幕上顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸借助WiFi通信模塊，把現(xiàn)場監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞至遠(yuǎn)端監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控這一目的。警報(bào)機(jī)制方面，當(dāng)檢測指標(biāo)超出了預(yù)先所設(shè)定的界限之時(shí)，系統(tǒng)會(huì)借助蜂鳴器開啟聲音警示功能。報(bào)警閾值的設(shè)定方面：此系統(tǒng)給予用戶一種能力，即可按照實(shí)際的需求來自行定義各類監(jiān)測指標(biāo)的預(yù)警界限。（8）卡片管理：支持RFID卡片的注冊和注銷功能。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，功能需求被確定為關(guān)鍵的指導(dǎo)準(zhǔn)則，這促使形成了模塊化的設(shè)計(jì)思路，隨后體系結(jié)構(gòu)被劃分成中控、輸入和輸出三個(gè)主要模塊，核心控制器選用了STM32F103C8T6微控制器，它承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、處理以及控制的核心任務(wù)，輸入模塊由MAX30102心率血氧傳感器、MLX90614ESF非接觸式溫度傳感器等組成，其作用是獲取環(huán)境信息。除此之外，還涉及MQ-135空氣質(zhì)量感應(yīng)器、MQ-7一氧化碳檢測器、DHT11溫濕度傳感器、RC522RFID模塊以及獨(dú)立按鍵等，輸出模塊設(shè)計(jì)有OLED顯示屏、ESP8266WiFi模塊，以及繼電器控制和蜂鳴器報(bào)警單元，STM32微控制器實(shí)時(shí)對傳感器捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析與分析，結(jié)果顯示在OLED屏幕上，并且借助WiFi模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端。一旦檢測到異常參數(shù)，蜂鳴器會(huì)立刻啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制，繼電器依據(jù)礦業(yè)作業(yè)的具體要求調(diào)控通風(fēng)設(shè)施，獨(dú)立按鍵用于操作界面切換和參數(shù)設(shè)定，RFID模塊實(shí)現(xiàn)了礦工位置追蹤與身份驗(yàn)證功能。圖2.1系統(tǒng)硬件模塊工作框圖2.3器件方案對比2.3.1單片機(jī)的選擇方案一：STC12C5A60S2單片機(jī)采用國產(chǎn)8051核心的STC12C5A60S2微控制器在性價(jià)比以及兼容性方面有著一定優(yōu)勢，它豐富的開發(fā)資源使其實(shí)用性得到提高，該芯片內(nèi)部設(shè)有60千字節(jié)的Flash編程存儲(chǔ)器、1280字節(jié)RAM、8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及有掉電保護(hù)功能的RAM區(qū)域，工作電壓范圍是3.5V至5.5V，最高時(shí)鐘頻率可達(dá)到35MHz，在市場上有著較為廣泛的應(yīng)用，特別適合中低端嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工作。不過STC12C5A60S2的局限性不能被忽視，它較低的主頻對處理性能造成限制，在復(fù)雜運(yùn)算以及多任務(wù)并發(fā)處理方面能力比較弱，內(nèi)存容量有限，這讓大型程序和大數(shù)據(jù)處理遭遇挑戰(zhàn)，而且，其簡潔的外圍設(shè)備接口難以適應(yīng)多樣化的傳感器集成需求，缺乏像DMA、USB等高級(jí)外設(shè)，致使擴(kuò)展能力受限，再加上其落后的編程模型對開發(fā)效率產(chǎn)生影響。在需要整合多種傳感器并執(zhí)行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，STC12C5A60S2的性能瓶頸和資源配置的局限性顯得格外突出。方案二：STM32F103STM32F103系列微控制器搭載的ARMCortex-M3內(nèi)核有較高效率，運(yùn)算性能出色，且配備了豐富的外圍設(shè)備，該系列微控制器的最高工作頻率可達(dá)到72MHz，內(nèi)置Flash存儲(chǔ)空間最大為128KB，SRAM則可達(dá)20KB，此控制器還可以兼容I2C、SPI以及USART等多種通信協(xié)議。它擁有16路12位ADC通道，全速運(yùn)行時(shí)功率為36mA，在待機(jī)模式下功耗僅2μA，能效比表現(xiàn)良好，憑借強(qiáng)大的處理能力，STM32F103可較為輕松地處理多傳感器數(shù)據(jù)整合以及復(fù)雜算法運(yùn)算，其多樣化通信接口方便連接各類傳感器，契合了系統(tǒng)擴(kuò)展需求，另外其精良的中斷系統(tǒng)和DMA控制器對提升數(shù)據(jù)處理效能有幫助，全面的開發(fā)工具鏈和文檔支持降低了開發(fā)復(fù)雜性。雖然STM32F103的單位價(jià)格高于STC12C5A60S2，但綜合系統(tǒng)集成度和性能需求來評估，它有一定的性價(jià)比優(yōu)勢。綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜度、性能指標(biāo)以及經(jīng)濟(jì)成本等多方面因素之后，我們選定了STM32F103作為核心控制器，它有出色的處理性能，完全可契合多傳感器數(shù)據(jù)采集與處理的任務(wù)要求，STM32F103擁有豐富的外設(shè)接口，這使得它與各類傳感器模塊的連接變得便利，其開發(fā)環(huán)境成熟，極大地提高了開發(fā)效率，為項(xiàng)目的開展給予了有力的支撐。2.3.2通信模塊的選擇方案一：HC-05藍(lán)牙模塊2.4藍(lán)牙串口模塊HC-05的工作頻段設(shè)定在GHz級(jí)別的ISM頻段，通信覆蓋范圍大概有10米左右，遵循藍(lán)牙2.0的協(xié)議規(guī)范，支持主從一體化操作模式，該模塊供電電壓是3.3V，依靠串行接口與微控制器相連接，配置流程較為簡單，因?yàn)槠潴w積小巧、功耗低且價(jià)格實(shí)惠，HC-05特別適合用于短距離無線通信應(yīng)用。不過它的通信距離被限制在10米左右，在礦井等對遠(yuǎn)距離通信有要求的環(huán)境中作用有限，最大3Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率難以契合大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枰?，模塊沒有網(wǎng)絡(luò)功能，不能直接接入互聯(lián)網(wǎng)，這就限制了遠(yuǎn)程監(jiān)控的能力，礦井復(fù)雜環(huán)境中的信號(hào)干擾問題會(huì)降低藍(lán)牙信號(hào)的可靠性，讓通信距離和網(wǎng)絡(luò)功能在這樣的場景下表現(xiàn)欠佳，制約了HC-05在礦井通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。方案二：ESP8266無線模塊ESP8266芯片有著諸多豐富功能，其中包含一枚32位微處理器以及完整的TCP/IP協(xié)議棧，它可兼容IEEE802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，工作電壓被設(shè)定為3.3V，它的通信借助單片機(jī)的串行接口來達(dá)成，該模塊擁有多種運(yùn)作模式，像Station模式、AP模式，以及Station+AP混合模式，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的處理性能。模塊里面嵌入的RAM和Flash存儲(chǔ)器讓應(yīng)用程序可獨(dú)立運(yùn)行，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，ESP8266優(yōu)勢較大，例如在開闊地帶能實(shí)現(xiàn)超過100米的通信距離，理論上的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到54Mbps，和路由器配合，其覆蓋范圍能擴(kuò)展，因?yàn)閮?nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，該芯片可以直接接入互聯(lián)網(wǎng)，支持定制化的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及和云平臺(tái)對接。另外它在客戶端或接入點(diǎn)模式下適應(yīng)范圍廣，適用于各類場景，雖說其休眠模式下的功耗只有10μA，價(jià)格比HC-05稍微高些，但總體性價(jià)比更高。礦井作業(yè)環(huán)境給通信系統(tǒng)帶來獨(dú)特需求以及功能挑戰(zhàn)，在此情況下ESP8266通信模塊的應(yīng)用就變得十分關(guān)鍵，ESP8266有著較為廣闊的通信覆蓋范圍，還有支持WiFi網(wǎng)絡(luò)的能力，可有效達(dá)成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸以及實(shí)時(shí)監(jiān)控，這對于優(yōu)化礦工安全監(jiān)測系統(tǒng)的效能有著一定的適應(yīng)性和優(yōu)勢。2.3.3無線模塊的選擇方案一：OLED顯示模塊有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏依靠自身的自發(fā)光特性，不再需要額外的背光源，本文所研究的0.96英寸OLED模塊，擁有128×64的分辨率，采用I2C通信協(xié)議，工作電壓在3.3V至5V之間，該模塊呈現(xiàn)出出色的視覺效果，高對比度以及寬闊的視角使得即使在微光環(huán)境下，也可保持清晰的顯示質(zhì)量。OLED模塊的良好性能體現(xiàn)在其在不同光照條件下都有高亮度和大對比度，特別適用于光照不足的地方，像礦井，在礦井中顯示黑色內(nèi)容可有效降低功耗，獲得較好的節(jié)能效果，其快速的響應(yīng)時(shí)間以及無視角限制的特點(diǎn)保證了從各個(gè)角度觀看時(shí)都有優(yōu)質(zhì)顯示，驅(qū)動(dòng)機(jī)制簡單，對單片機(jī)資源的需求不多。模塊的小型化和輕量化設(shè)計(jì)，方便集成到便攜設(shè)備中，不會(huì)大幅增加體積，盡管初期成本比LCD略高，但從顯示性能和壽命方面綜合考慮，OLED模塊的性價(jià)比在實(shí)際應(yīng)用中慢慢體現(xiàn)出來。方案二：LCD12864顯示屏采用ST7920控制器的LCD12864點(diǎn)陣液晶模塊擁有128×64的分辨率，它的通信接口可支持并行以及串行這兩種方式，其內(nèi)置的背光系統(tǒng)讓顯示效果得到了提高，在光照條件比較低的情況下，該模塊把5V當(dāng)作工作電壓，因?yàn)樗兄S富的開發(fā)資源以及親民的價(jià)格，在各種開發(fā)項(xiàng)目里被廣泛運(yùn)用。不過LCD12864存在一些局限性：在昏暗的環(huán)境中，背光源對視覺清晰度的提升效果有限，并且顯示器的視角相對比較窄，這就致使側(cè)視的時(shí)候顯示質(zhì)量有所下降，另外低溫環(huán)境會(huì)讓它的響應(yīng)速度變慢，性能也會(huì)跟著大幅減弱，同時(shí)還會(huì)增加靜態(tài)功耗，開啟背光的時(shí)候這種情況非常明顯。它較多的引腳接口消耗了大量單片機(jī)資源，較高的體積尺寸對系統(tǒng)的微型化設(shè)計(jì)不利，考慮到礦井等特殊環(huán)境對便攜性有著較高要求，這些不足之處使得LCD12864在實(shí)際應(yīng)用中的適用性受到了一定限制。對兩種方案的特性做了全面且細(xì)致的分析后，OLED顯示模塊于顯示性能、能源效率、反應(yīng)時(shí)間以及緊湊性方面，相對于LCD12864呈現(xiàn)出優(yōu)勢，考慮到礦工安全監(jiān)控系統(tǒng)對顯示設(shè)備的具體需求，OLED有的優(yōu)越特性同其實(shí)際應(yīng)用場景更為相符，在礦井環(huán)境中光照條件有限的情況下，OLED的自發(fā)光特性以及廣闊的視角保障了圖像的鮮明度與可讀性，提升了系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，最終決定選用OLED作為系統(tǒng)的顯示組件。2.4本章小結(jié)這部分對智能礦工安全監(jiān)控體系的功能性要求展開探討，其設(shè)計(jì)以STM32F103微控制器為基礎(chǔ)，針對微控制器模塊、通信模塊以及顯示模塊開展了詳細(xì)的對比研究，此體系架構(gòu)選用STM32F103作為核心處理器，搭配ESP8266WiFi模塊與OLED顯示模塊，達(dá)成硬件層面的關(guān)鍵支持。設(shè)計(jì)期間采用模塊化設(shè)計(jì)理念，借助整合多種傳感器與功能組件，切實(shí)對礦工的生理狀態(tài)和作業(yè)環(huán)境實(shí)行全面監(jiān)測，保障了礦工的安全。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)PAGEIIPAGE23PAGE233系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)STM32F103C8T6微控制器在LQFP48封裝形式下承擔(dān)著系統(tǒng)內(nèi)模塊整合以及數(shù)據(jù)管理的工作任務(wù)，其有充足的引腳配置方便了外設(shè)的連接，使用的AMS1117-3.3V穩(wěn)壓器達(dá)成了從5V電源到3.3V的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘體系里有一個(gè)8MHz主振蕩器和一個(gè)32.768KHz低速振蕩器，它們分別為主時(shí)鐘和RTC時(shí)鐘功能服務(wù)。復(fù)位電路聯(lián)合RC電路以及NRST引腳保障了啟動(dòng)過程的穩(wěn)定性，程序的加載與調(diào)試依靠SWDIO和SWCLK引腳來進(jìn)行，這些電源、時(shí)鐘、復(fù)位以及下載電路共同構(gòu)成了STM32的核心系統(tǒng)，為系統(tǒng)的初始架構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，STM32的外部I/O端口用于各個(gè)模塊的相互連接，其中USART2和ESP8266進(jìn)行通訊，PA7連接DHT11溫濕度傳感器，PA5和PA6分別與MQ-7和MQ-135氣體傳感器相連。MLX90614ESF溫度傳感器憑借IIC接口接入系統(tǒng)，RC522模塊借助SPI接口連接，OLED顯示屏和蜂鳴器分別經(jīng)由IIC和PA4引腳連接，繼電器掛載在PB1上，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了多個(gè)獨(dú)立按鍵，用于界面切換以及參數(shù)設(shè)定，STM32的ADC通道采集模擬信號(hào)，TIM1定時(shí)器為各個(gè)模塊提供時(shí)間基準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)精確的系統(tǒng)定時(shí)功能。圖3.1STM32F103單片機(jī)接線情況3.2無線模塊硬件設(shè)計(jì)ESP8266模塊采用ESP-12F這種封裝形式，它擁有STA、RXD、TXD、GND、VCC以及EN這六種引腳，其工作電壓被規(guī)定為3.3V，經(jīng)過適配的電平轉(zhuǎn)換電路，該模塊能和STM32的USART2接口順利對接，模塊的EN引腳要保持高電平來激活運(yùn)行狀態(tài)，STA引腳用于指示工作狀況。系統(tǒng)依靠AT指令集全面控制ESP8266，像執(zhí)行WiFi連接以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，在系統(tǒng)架構(gòu)里，ESP8266借助WiFi網(wǎng)絡(luò)把礦工的生命體征和環(huán)境監(jiān)測信息定期發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，為此設(shè)計(jì)了五類不同數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包承載特定監(jiān)測數(shù)據(jù)，由定時(shí)器設(shè)定每700毫秒發(fā)送一次。接收到遠(yuǎn)程指令后，ESP8266對其解析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，借助串口中斷接收機(jī)制，系統(tǒng)通信可靠性提高，能及時(shí)捕獲并處理返回?cái)?shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)，另外ESP8266的低功耗特性讓它成為電池供電便攜設(shè)備的理想選擇，契合了設(shè)備便攜性需求。圖3.2ESP8266無線模塊實(shí)際接線圖3.3MQ-135傳感器模塊MQ-135傳感器是一種半導(dǎo)體氣體檢測裝置，擅長探測如NH3、NOx、酒精、苯、煙霧以及CO2等有毒氣體，該傳感器的接口配置有VCC、GND、DQ和AQ四個(gè)端口，其中DQ端輸出數(shù)字信號(hào)，AQ端輸出模擬信號(hào)，在5V供電情況下，MQ-135的AQ模擬輸出端口連接到STM32的PA6引腳，實(shí)現(xiàn)氣體濃度的連續(xù)模擬數(shù)據(jù)采集。傳感器內(nèi)部集成了氣敏和加熱組件，氣敏部分采用二氧化錫半導(dǎo)體材料，遇到有害氣體時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，使得電阻下降，導(dǎo)致輸出電壓上升，加熱元件能保證氣敏元件處于適宜工作溫度，以此提高檢測靈敏度，STM32利用其ADC功能對MQ-135的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，再憑借特定公式轉(zhuǎn)換為氣體濃度值。傳感器需要大約24小時(shí)預(yù)熱來保證檢測精度，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)要預(yù)留這段預(yù)熱時(shí)間，在礦井空氣質(zhì)量監(jiān)測里，一旦檢測到有害氣體濃度過高，系統(tǒng)會(huì)立刻觸發(fā)警報(bào)并啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)施，保障安全。圖3.3MQ-135傳感器模塊實(shí)際接線圖3.4MQ-7傳感器模塊在礦井安全監(jiān)控這個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，MQ-7傳感器有著十分關(guān)鍵的作用，它對一氧化碳的探測情況和MQ-135比較相似，這兩種傳感器都設(shè)置了VCC、GND、DQ以及AQ四條引腳，該傳感器借助5V電壓來開展模擬信號(hào)的采集工作，其中AQ引腳連接著STM32的PA5引腳，以此達(dá)成一氧化碳濃度模擬輸出的讀取。MQ-7的工作模式含有兩個(gè)交替的階段，分別是高溫期和低溫期，在高溫階段的時(shí)候，傳感器會(huì)施加大概5V的加熱電壓，持續(xù)時(shí)間為60秒，主要是為了清除吸附的還原性氣體，之后就進(jìn)入到低溫階段，此時(shí)加熱電壓下降到1.5V并保持90秒，在這個(gè)時(shí)間段里進(jìn)行一氧化碳濃度的精準(zhǔn)測定。STM32的ADC獲取模擬值之后，利用公式mq7=adc_buf[0]/4096.0*99把它轉(zhuǎn)換為一氧化碳濃度值，因?yàn)橐谎趸加泻芨叩亩拘裕坏舛瘸^了預(yù)先設(shè)定的閾值mq7_yu，系統(tǒng)就會(huì)觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)啟動(dòng)通風(fēng)裝置，保證礦井環(huán)境里的CO濃度可控制在安全的范圍之內(nèi)。MQ-7傳感器的檢測能力可以達(dá)到10至10000ppm的一氧化碳濃度。圖3.4MQ-7傳感器模塊3.5MAX30102心率血氧檢測模塊MAX30102傳感器模塊有集成心率與血氧飽和度檢測的功能，它運(yùn)用I2C協(xié)議與STM32微控制器相互連接起來，其物理接口被設(shè)計(jì)成了8個(gè)引腳，其中供電是由VCC和GND引腳來承擔(dān)的，而通信則依靠SCL和SDA引腳來完成，該模塊在3.3V的工作電壓條件下，借助STM32的PB8和PB9引腳來實(shí)現(xiàn)邏輯交互，然后逐次配置各個(gè)引腳的功能。MAX30102采用光電容積脈搏波描記法，利用660nm的紅光LED和880nm的紅外LED對皮膚進(jìn)行照射，依據(jù)反射或者透射光強(qiáng)度的變化來估算心率和血氧飽和度，模塊內(nèi)部嵌入的高精度ADC以及低噪聲電子線路保障了測量的精確程度，在系統(tǒng)啟動(dòng)的階段，依靠max30102_Init()函數(shù)來設(shè)定像采樣率、脈沖寬度和LED電流等關(guān)鍵參數(shù)。數(shù)據(jù)采集任務(wù)由max30102_readData()函數(shù)去執(zhí)行，以500毫秒作為周期來獲取心率(max30102.par.hr)和血氧飽和度(max30102.par.spo2)的數(shù)據(jù)，測量結(jié)果會(huì)顯示在OLED屏幕上，并且設(shè)定了心率的最低(heart_min)和最高(heart_max)界限以及血氧閾值(blood_yu)，當(dāng)測量值超出限定范圍時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制。圖3.5MAX30102心率血氧檢測模塊3.6OLED顯示模塊本系統(tǒng)選用了一款0.96英寸的OLED顯示模塊，其分辨率為128×64像素，通信由SSD1306控制器管理，采用I2C接口，該模塊設(shè)置了四個(gè)端口，分別是GND、VCC、SCL和SDA，工作電壓范圍在3.3V至5V之間，其中SCL連接到STM32的PB15引腳，SDA連接到PB14引腳。在系統(tǒng)功能方面，OLED模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)控與狀態(tài)呈現(xiàn)，預(yù)設(shè)了多個(gè)交互界面，可依靠按鍵進(jìn)行切換，界面0專門用來展示基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)，像濕度、空氣質(zhì)量、一氧化碳濃度、體溫、心率以及血氧飽和度等，從界面1到界面7，分別用于設(shè)定各類參數(shù)的閾值，包括體溫、心率的上限和下限以及血氧飽和度的標(biāo)準(zhǔn)值。SSD1306控制器的指令集驅(qū)動(dòng)OLED進(jìn)行內(nèi)容顯示，系統(tǒng)內(nèi)建了多種顯示函數(shù)，比如Oled_ShowString()用于輸出字符串，OLED_ShowNum()顯示數(shù)字，Oled_ShowChinese()處理中文字符，OLED_Show_Temp()和OLED_Show_Humi()分別專門負(fù)責(zé)體溫和濕度的可視化。因?yàn)镺LED模塊自身發(fā)光且對比度高，即便在礦井等光照條件不好的環(huán)境中，也能保持良好的可讀性，提升了系統(tǒng)的適用性與用戶體驗(yàn)。圖3.6OLED顯示模塊3.7RC522射頻模塊以MFRC522芯片構(gòu)建的RFID讀寫模塊在13.56MHz頻段開展工作，運(yùn)用SPI通信協(xié)議，其硬件接口含有8個(gè)引腳，分別是SDA、SCK、MOSI、MISO、IRQ、GND、RST以及3.3V，此模塊與STM32的PB3至PB7引腳相連接，借助SPI接口來實(shí)現(xiàn)通信功能。在系統(tǒng)架構(gòu)當(dāng)中，RC522承擔(dān)著礦工定位以及身份驗(yàn)證的任務(wù)，設(shè)計(jì)了三種卡片操作模式，模式0主要是進(jìn)行卡片識(shí)別，一旦檢測到注冊卡片，便記錄礦工所處的位置為A、B或者C，模式1用于新卡片注冊，會(huì)把卡片編號(hào)寫入存儲(chǔ)器，模式2則是清除卡片內(nèi)存數(shù)據(jù)，執(zhí)行注銷操作。在初始化階段，RC522_GPIO_Init()函數(shù)對SPI接口參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，PcdReset()函數(shù)配置天線參數(shù)并選定ISO標(biāo)準(zhǔn)，二者共同達(dá)成RC522的初始化，卡片操作流程囊括PcdRequest、PcdAnticoll、PcdSelect、PcdAuthState、PcdRead以及PcdWrite等多個(gè)步驟。為避免卡片重復(fù)讀取，系統(tǒng)引入card_flag1、card_flag2和card_time變量來控制讀取頻率，有效避免了卡片一次性接近時(shí)出現(xiàn)多次識(shí)別的問題。圖3.7RC522射頻模塊3.8MLX90614ESF溫度傳感模塊MLX90614ESF傳感器采用熱電堆技術(shù)，可達(dá)成無接觸式的高精度紅外溫度檢測，此傳感器借助I2C接口通信，它的四針配置覆蓋GND、SCL、SDA以及VCC，工作電壓被設(shè)定為3.3V，和STM32的PB13與PB12引腳連接后，實(shí)現(xiàn)了有效的數(shù)據(jù)交互。在系統(tǒng)里，MLX90614ESF負(fù)責(zé)礦工體溫監(jiān)測，其非接觸特性降低了傳統(tǒng)體溫測量方式可能引發(fā)的交叉感染風(fēng)險(xiǎn)，該傳感器的溫度測量范圍廣，從-70℃到+380℃，并且精度能達(dá)到±0.5℃，可充分適應(yīng)人體溫度測量的需求，在系統(tǒng)啟動(dòng)階段，借助GY906_GPIO_Init()函數(shù)來配置I2C接口參數(shù)，獲取溫度數(shù)據(jù)時(shí)，借助memread(0)函數(shù)讀取原始值，再經(jīng)過body_temp=temp_jian+15的計(jì)算得出實(shí)際體溫。系統(tǒng)預(yù)設(shè)了體溫警報(bào)閾值body_yu，當(dāng)檢測值超過這個(gè)閾值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)警告機(jī)制，這種非接觸測溫方法減少了對礦工日常工作的干擾，實(shí)現(xiàn)了不間斷的體溫監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性與安全性。圖3.8MLX90614ESF溫度傳感模塊3.9DHT11溫濕度傳感模塊DHT11傳感器是一款數(shù)字式溫濕度復(fù)合檢測模塊，它可同時(shí)檢測環(huán)境溫度與濕度，其硬件配置含有VCC、DATA、NC以及GND四條引腳，該模塊工作電壓范圍在3.3V至5V之間，采用單線通信協(xié)議，其中DATA引腳與STM32的PA7引腳相連接，以此來執(zhí)行通信功能。在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，DHT11主要希望能夠礦井環(huán)境的濕度監(jiān)控，其濕度測量范圍是20%-90%RH，精度為±5%RH，溫度測量區(qū)間是0-50℃，精度能達(dá)到±2℃，傳感器內(nèi)部集成了電容式濕度傳感器以及NTC溫度探測器，輸出的信號(hào)經(jīng)過了預(yù)先校準(zhǔn)，有較強(qiáng)的抗干擾性能。系統(tǒng)和DHT11之間的通信遵循單總線協(xié)議，通信過程涉及起始、響應(yīng)以及數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)階段，依靠每500毫秒調(diào)用一次的DHT11_Read_TempAndHumidity(&DHT11_Data)函數(shù)，可獲取濕度值，一旦設(shè)定的濕度閾值被超出，系統(tǒng)就會(huì)觸發(fā)警報(bào)并且啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)施，應(yīng)對高濕度環(huán)境下礦工中暑以及設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)增加的情況。濕度監(jiān)測在保障礦工安全的監(jiān)測體系里占據(jù)著關(guān)鍵位置，DHT11傳感器憑借其快速響應(yīng)、低成本、低功耗的特點(diǎn)，適合長時(shí)間且對便攜性和能耗有要求的監(jiān)測應(yīng)用場景。圖3.9DHT11溫濕度傳感模塊3.10本章小結(jié)在這一部分中，針對智能礦工安全監(jiān)控體系的硬件架構(gòu)展開了深入且細(xì)致的研究，該體系的核心組成部分囊括了STM32F103微控制器、ESP8266Wi-Fi模塊、用于空氣質(zhì)量檢測的MQ-135傳感器以及用于一氧化碳檢測的MQ-7傳感器、有心率血氧感應(yīng)功能的MAX30102、OLED顯示屏、RC522射頻識(shí)別模塊、MLX90614ESF紅外溫度傳感器以及DHT11溫濕度傳感器。每一個(gè)硬件模塊都經(jīng)過了精心的電路設(shè)計(jì)工作，達(dá)成了各個(gè)模塊之間的無縫集成狀態(tài)，在設(shè)計(jì)過程中著重關(guān)注了低能耗、高穩(wěn)定性以及用戶友好性等方面，硬件的配置以及設(shè)計(jì)緊密貼合礦井作業(yè)的實(shí)際需求情況，為構(gòu)建系統(tǒng)軟件的穩(wěn)健基礎(chǔ)打造了堅(jiān)實(shí)的前提條件。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)PAGEIIPAGE23PAGE234系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件介紹ARM公司所推出的Keil5乃是一款專門針對ARMCortex-M系列微控制器而設(shè)計(jì)的綜合開發(fā)工具，它整合了如編輯器、編譯器、鏈接器、調(diào)試器以及仿真器等多項(xiàng)功能，可為從源代碼編寫直至程序調(diào)試這提供一體化的解決辦法，在本研究的軟件開發(fā)實(shí)踐當(dāng)中，我們選用Keil5MDK作為核心開發(fā)平臺(tái)，并且結(jié)合STM32CubeMX來配置STM32外設(shè)以及自動(dòng)生成代碼。Keil5可廣泛兼容多種基于ARMCortex-M內(nèi)核的微控制器，在其豐富的設(shè)備支持包里面，我們挑選了適用于STM32F1xx系列的包，具體選用了STM32F103C8T6，該型號(hào)有了必要的外設(shè)驅(qū)動(dòng)庫以及啟動(dòng)文件，在編譯這個(gè)環(huán)節(jié)，我們運(yùn)用了ARM公司內(nèi)置的ARMCC編譯器，該編譯器對C/C++語言有著良好的支持，以其強(qiáng)大的優(yōu)化能力以及生成高效且緊湊的機(jī)器碼而聞名。在調(diào)試方面，Keil5提供了設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行以及變量監(jiān)控等功能，方便快速定位以及解決問題，借助ST-Link調(diào)試器，系統(tǒng)程序的下載得以順利開展，而Keil5提供的全面下載與調(diào)試接口簡化了整體的開發(fā)流程。圖4.1Keil_5軟件界面4.2軟件程序的設(shè)計(jì)4.2.1主程序流程圖4.2系統(tǒng)邏輯流程圖參照圖4.2可以看到，系統(tǒng)的主體程序依照循環(huán)形式開展初始化以及核心循環(huán)任務(wù)的執(zhí)行工作，這其中涉及到對硬件環(huán)境的相關(guān)配置，具體覆蓋了時(shí)鐘設(shè)置、GPIO接口、ADC轉(zhuǎn)換器以及USART通信模塊的初始化操作，另外模塊初始化進(jìn)程還包含對OLED顯示屏、MAX30102傳感器、GY906模塊、RC522RFID讀卡器以及ESP8266WiFi模塊的初始化工作。一旦進(jìn)入主循環(huán)，循環(huán)體內(nèi)會(huì)按照順序依次調(diào)用按鍵處理函數(shù)、監(jiān)控功能函數(shù)、數(shù)據(jù)顯示函數(shù)、管理功能函數(shù)以及阿里云MQTT接收函數(shù)，系統(tǒng)借助TIM1定時(shí)器中斷產(chǎn)生精確的1ms時(shí)間基準(zhǔn)，借助time_1ms和time_500ms變量來調(diào)節(jié)各個(gè)功能模塊的執(zhí)行周期，在保障低功耗運(yùn)行的逐步提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能。4.2.2按鍵程序流程系統(tǒng)借助Key_function子程序來響應(yīng)用戶輸入，以此達(dá)成其交互性功能，借助調(diào)用Chiclet_Keyboard_Scan()函數(shù)，可檢測并識(shí)別按鍵編號(hào)，為此設(shè)計(jì)了七個(gè)獨(dú)立按鍵，按鍵1用于切換顯示模式，按鍵2和3配置為調(diào)整當(dāng)前界面參數(shù)值，像體溫、心率以及血氧飽和度的閾值，按鍵4用于切換卡片模式，在注冊卡模式下按鍵5用于切換卡片編號(hào)，按鍵6控制報(bào)警功能的開啟與關(guān)閉狀態(tài)，按鍵7用于在A、B、C三個(gè)位置間進(jìn)行切換。在按鍵子程序設(shè)計(jì)里，運(yùn)用switch-case結(jié)構(gòu)對各個(gè)按鍵獨(dú)特功能邏輯給予細(xì)致處理，逐步達(dá)成了參數(shù)設(shè)置的靈活性以及用戶界面的有效控制。圖4.3按鍵模塊邏輯流程圖4.2.3處理程序流程管理功能模塊的核心運(yùn)作是依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析來開展的，其報(bào)警控制策略覆蓋了對一系列監(jiān)控指標(biāo)的評估工作，詳細(xì)而言，該程序會(huì)去對比濕度有沒有超出預(yù)先設(shè)定的濕度界限、體溫有沒有越過體溫標(biāo)準(zhǔn)界限、空氣質(zhì)量傳感器的讀數(shù)有沒有超過空氣質(zhì)量閾值、一氧化碳濃度有沒有超過安全限制范圍、心率是不是處于允許的波動(dòng)區(qū)間以及血氧飽和度是不是低于最低閾值。所有這些決策邏輯都被內(nèi)置在程序設(shè)計(jì)里面，異常情況的檢測還包含檢查報(bào)警觸發(fā)狀態(tài)，并且依據(jù)這個(gè)來啟用或者禁用蜂鳴器報(bào)警功能，程序還承擔(dān)著控制繼電器開關(guān)來驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的任務(wù)，當(dāng)濕度、空氣質(zhì)量或者一氧化碳水平出現(xiàn)超標(biāo)情況時(shí)，風(fēng)扇自動(dòng)啟動(dòng)的邏輯在這個(gè)子程序里得以實(shí)現(xiàn)。該模塊整合了RFID卡的識(shí)別、注冊以及注銷操作，保障了礦工的精確定位和身份驗(yàn)證功能。圖4.4處理函數(shù)邏輯流程圖4.3本章小結(jié)此部分針對智能礦工安全監(jiān)控系統(tǒng)的軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)展開探討，借助Keil5開發(fā)平臺(tái)的支持，系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)以及核心子程序流程得以呈現(xiàn)，該軟件體系被劃分成按鍵管理、數(shù)據(jù)監(jiān)控、信息顯示以及數(shù)據(jù)處理這四個(gè)模塊，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，主程序借助循環(huán)調(diào)用這些模塊保障系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，定時(shí)器中斷機(jī)制為系統(tǒng)提供精準(zhǔn)時(shí)間參考。按鍵處理子程序達(dá)成人性化交互，處理子程序兼顧操作控制與預(yù)警功能，設(shè)計(jì)過程注重實(shí)時(shí)性、低能耗運(yùn)行以及高可靠性，以充分符合礦工安全監(jiān)測實(shí)際需求。系統(tǒng)的測試PAGEIIPAGE23PAGE235系統(tǒng)的測試5.1軟硬件調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試對保障其正常運(yùn)行意義重大，包含硬件連接驗(yàn)證、單一模塊效能評估以及系統(tǒng)整合測試等逐步推進(jìn)的環(huán)節(jié)，調(diào)試完成后系統(tǒng)運(yùn)行趨于穩(wěn)定，硬件連接測試著重檢驗(yàn)?zāi)K間的電氣連通性，借助萬用表測量STM32、傳感器模塊和通信模塊的電源電壓以保證其處于正常狀態(tài)，同時(shí)運(yùn)用示波器分析時(shí)鐘和通信信號(hào)波形來評估信號(hào)質(zhì)量，排查I2C、SPI及串行通信線路的短路或斷路故障，及時(shí)找出并解決潛在的連接不穩(wěn)和信號(hào)干擾問題，為后續(xù)調(diào)試步驟奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在單模塊功能測試階段，各個(gè)功能模塊分別接受檢測，比如OLED顯示功能依靠展示字符、數(shù)字和圖形進(jìn)行驗(yàn)證，傳感器模塊依靠測量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)源來保證其精度，ESP8266模塊的WiFi連接、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能也依次進(jìn)行測試，期間發(fā)現(xiàn)并修復(fù)了部分驅(qū)動(dòng)程序和參數(shù)設(shè)置方面的不足，提升了模塊的可靠性。系統(tǒng)集成測試側(cè)重于驗(yàn)證各模塊協(xié)同工作的效能，暴露了時(shí)序沖突和資源競爭等問題，借助優(yōu)化軟件架構(gòu)并引入互斥機(jī)制，這些問題得以有效解決，模擬報(bào)警功能的超限測試可準(zhǔn)確識(shí)別異常狀態(tài)并啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制，而長時(shí)間運(yùn)行測試則對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能耗進(jìn)行了驗(yàn)證，經(jīng)過多輪優(yōu)化，系統(tǒng)響應(yīng)速度和可靠性得到提高。5.2實(shí)物運(yùn)行演示此章節(jié)對系統(tǒng)的綜合功能作了細(xì)致闡述，于生命體征監(jiān)測的應(yīng)用示例里，運(yùn)用MAX30102傳感器來評估受試者的心率以及血氧飽和度，MLX90614ESF傳感器則被用來測定體溫，實(shí)驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)說明，心率測量的精度為±3bpm，血氧測量誤差未超過±2%，體溫測量誤差處于±0.5℃以內(nèi)，完全契合監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)擁有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能，還可依照預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)判斷數(shù)據(jù)是否偏離正常范圍，另外MQ-135和MQ-7傳感器分別用于空氣質(zhì)量以及一氧化碳濃度的檢測，與DHT11傳感器對環(huán)境濕度的監(jiān)控相互配合，共同組成了環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊，借助引入香煙煙霧模擬污染條件，以及運(yùn)用加濕器進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了氣體和濕度傳感器可靈敏響應(yīng)，及時(shí)捕捉環(huán)境變化，保證測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與可靠性，驗(yàn)證了傳感器的性能符合標(biāo)準(zhǔn)。在位置追蹤演示環(huán)節(jié)，RC522模塊成功識(shí)別了人工設(shè)定的RFID卡片，模擬了礦工在多個(gè)如A、B、C等位置的移動(dòng)情況，測試顯示，系統(tǒng)可有效記錄并顯示礦工的移動(dòng)路徑以及相關(guān)信息，卡片的注冊和注銷功能運(yùn)行良好。圖5.1系統(tǒng)實(shí)物圖5.3本章小結(jié)此章節(jié)詳細(xì)說明了智能礦工安全監(jiān)控體系的測試辦法以及所取得的成效，在軟硬件調(diào)試階段，系統(tǒng)開發(fā)時(shí)碰到的問題逐個(gè)被解決，以此保證了其可靠性與穩(wěn)定性，實(shí)際運(yùn)行展示環(huán)節(jié)，生命體征檢測、環(huán)境條件監(jiān)控、定位追蹤、警報(bào)通知以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸這五大關(guān)鍵功能都順利得以實(shí)施。各個(gè)功能模塊運(yùn)行穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)精確且可信，報(bào)警及控制響應(yīng)及時(shí)，遠(yuǎn)程通訊維持穩(wěn)定連通狀態(tài)，該系統(tǒng)成功達(dá)成了對礦工生理狀態(tài)以及作業(yè)環(huán)境的有效監(jiān)督，可及時(shí)探測出安全隱患，并且保證預(yù)警與防護(hù)機(jī)制正常運(yùn)作，不過測試過程中也顯現(xiàn)出一些局限性，像部分傳感器的測量精度問題以及電池續(xù)航能力不足，這些挑戰(zhàn)為后續(xù)系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)明確了方向。該系統(tǒng)達(dá)成了預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。結(jié)論結(jié)論結(jié)論本研究成功研發(fā)出一套以STM32微控制器為基礎(chǔ)的智能礦工安全監(jiān)控體系，此體系整合了MAX30102心率血氧儀、MLX90614ESF非接觸式體溫計(jì)、MQ-135和MQ-7氣體傳感器以及DHT11溫濕度傳感器，來對礦工的生命體征以及作業(yè)環(huán)境進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測。實(shí)測結(jié)果說明，系統(tǒng)有著不錯(cuò)的性能，心率誤差不超過±3bpm，血氧誤差維持在±2%以內(nèi)，體溫測量誤差處于±0.5℃范圍，可快速響應(yīng)環(huán)境變化并啟動(dòng)預(yù)警及保護(hù)機(jī)制，借助RC522射頻識(shí)別模塊開展位置追蹤與身份驗(yàn)證，聯(lián)合ESP8266WiFi模塊達(dá)成無線遠(yuǎn)程監(jiān)控，再搭配由OLED顯示屏和獨(dú)立按鍵組成的人機(jī)交互界面，本系統(tǒng)構(gòu)建起一個(gè)立體的安全保障網(wǎng)，有效填補(bǔ)了傳統(tǒng)系統(tǒng)在覆蓋范圍、實(shí)時(shí)響應(yīng)以及多功能性方面的不足。盡管在個(gè)別傳感器精度和電池壽命方面以及提升余地，但這種高集成度、多功能的礦工安全監(jiān)控方案對提升礦山安全管理效能、降低事故風(fēng)險(xiǎn)有著實(shí)際意義，隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，本系統(tǒng)在礦山安全領(lǐng)域的應(yīng)用潛力會(huì)釋放。參考文獻(xiàn)PAGEIIPAGE23PAGE23參考文獻(xiàn)[1]張彩嬌.基于ZigBee無線通信技術(shù)的基站安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)字通信世界,2023(3):5-7.[2]宋孟華,王澤,劉雪梅,等.基于ZigBee和NB-IoT融合網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表,2023,38(5):101-104.[3]劉艷峰.基于ZigBee的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界,2023,30(6):35-38.[4]曹海洋,靳晟,乃比·巴瑞,等.基于ZigBee的實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù):學(xué)術(shù)版,2023,19(1):101-103.[5]林婷婷,樊森,張新英.基于ZigBee的智能家居公共安全系統(tǒng)控制平臺(tái)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2023(4):36-38.[6]龍祖連,王麗磊,幸敏.基于Zigbee技術(shù)的礦井環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作,2023,31(19):11-13.[7]梁水英.基于ZigBee的加氫站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代信息科技,2023,7(12):178-181.[8]朱麗敏.基于ZigBee技術(shù)的智能家居環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2023(011):047.[9]吳廣耀.基于Zigbee技術(shù)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].清洗世界,2023(11):83-85.[10]張軍凱,李欣,崔俊霞,等.基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(全文版)自然科學(xué),2023(1):4.[11]曹旨昊,張辛欣,牟少敏,等.基于ZigBee的山區(qū)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2023,40(3):66-71.[12]王一帆,劉云,方超.基于本質(z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