CN109098758B - 一种井下救援人员安全监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下救援人员安全监测系统及方法，该系统包括井下工控机、与井下工控机无线通信的无线中继器组和安装在救援人员身上且通过无线中继器组与井下工控机通信的人身安全监测装置，无线中继器组包括多个无线中继器，井下工控机通过光纤与地面工控机连接；该方法包括步骤：一、人身安全监测装置的佩戴；二、无线中继器组的形成；三、救援人员人身安全数据的采集及传输；四、救援人员人身安全监测。本发明利用在井下布设多个无线中继器实现井下通信互联，减少井下网线的布设，灵活可靠，利用率高，并通过位姿采集机构获取救援人员具体身体姿态，结合计时器获知救援人员是否被困，易于实现，对煤矿井下的复杂环境具有很好的适应性。
Description
技术领域
本发明属于井下救援人员安全监测技术领域，具体涉及一种井下救援人员安全监测系统及方法。
背景技术
由于我国煤矿较多且时有井下事故发生，需要救援人员快速的进入井下施救，所以保障救援人员的安全是值得我们考虑的。我国煤矿救护工作在煤矿的灾害救治中具有重要作用，在煤矿应急救援技术装备中，目前救护队员用的正压氧气呼吸器和压缩氧自救器仅仅提供救援人员呼吸所用的氧气，通信指挥系统还主要使用比较落后的救灾通信电话，在救灾队员深入井下时，地面指挥人员无法及时获取救护队员个体人身安全信息，导致对救护队员自身无法采取针对性措施确保自身安全。煤矿井下灾后环境复杂多变，有毒有害气体浓度高，浓烟浓雾条件下视线模糊，障碍物多，当救护队员因中毒、遇到障碍物跌倒时，而又无法被其他救护队员及时发现救起或无法被指挥人员所得知时，从而失去营救机会，对救援人员生命安全无法达到充分的保障。虽然近几年对井下人员定位等技术有了较大的研究，但是关于救护队员具体身体姿态和是否被困监测等方面还鲜见报道。如何全面系统地研究煤矿救援人员生命状态监测技术，保障救护队员的自身安全，整体提升应急能力和效率是值得研究的。目前关于人员身体姿态监测技术主要采用视频识别，陀螺仪或模拟式加速度传感器等来实现，其中视频识别的成本较高，陀螺仪或模拟式加速度传感器需要对采集量进行模数转换以及滤波操作，均不适用于煤矿井下环境。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种井下救援人员安全监测系统，其设计新颖合理，利用在井下布设多个无线中继器实现井下通信互联，减少井下网线的布设，灵活可靠，利用率高，并通过位姿采集机构获取救援人员具体身体姿态，结合计时器获知救援人员是否被困，易于实现，对煤矿井下的复杂环境具有很好的适应性，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种井下救援人员安全监测系统，其特征在于：包括井下工控机、与井下工控机无线通信的无线中继器组和安装在救援人员身上且通过所述无线中继器组与井下工控机通信的人身安全监测装置，所述无线中继器组包括多个无线中继器，井下工控机通过光纤与地面工控机连接，人身安全监测装置包括监测板、气体采集机构、生命体征数据采集机构和位姿采集机构，所述监测板上集成有微控制器、供电电池以及均与微控制器连接的计时器和无线WIFI模块，所述气体采集机构包括压缩氧自救器和与所述压缩氧自救器配合的氧气面罩，所述氧气面罩内设置有均与微控制器连接的氧气传感器、二氧化碳传感器和甲烷传感器；
所述位姿采集机构包括半球壳、设置在所述半球壳内的半球座和设置在半球座内且与半球座滑动配合的转球，所述半球壳由半球罩和封闭半球罩的底板组成，半球座固定安装在底板上，转球由实心半球和空心半球组成，所述空心半球外壳上固定安装有金属导杆，金属导杆所在直线的延伸线与实心半球和空心半球的交平面垂直，金属导杆远离所述空心半球的一端与半球罩内表面相抵，电阻丝缠绕嵌入安装在半球罩上，电阻丝的一端接地，电阻丝的另一端与供电电池的电源输出端连接，半球罩为绝缘半球罩，金属导杆上设置有与微控制器连接的直流电压传感器。
上述的一种井下救援人员安全监测系统，其特征在于：所述生命体征数据采集机构包括均与微控制器连接的心率传感器、体温传感器和血压传感器。
上述的一种井下救援人员安全监测系统，其特征在于：所述监测板上还集成有均与微控制器连接的环境温度传感器和显示器。
上述的一种井下救援人员安全监测系统，其特征在于：所述底板安装在人体肩膀上，金属导杆远离所述空心半球的一端为球体，所述球体的直径为D，单位为mm；电阻丝接地的一端和电阻丝接供电电池的电源输出端的一端均位于半球罩的正前端，电阻丝接地的一端高于电阻丝接供电电池的电源输出端的一端，电阻丝接地的一端与电阻丝接供电电池的电源输出端的一端之间的距离大于D。
上述的一种井下救援人员安全监测系统，其特征在于：所述电阻丝为镍铬合金丝。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可监测井下救援人员安全的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、人身安全监测装置的佩戴：每个救援人员均携带监测板，并在人体肩膀上安装位姿采集机构，手腕上安装生命体征数据采集机构，背带压缩氧自救器并佩戴氧气面罩；
所述位姿采集机构的底板安装在人体肩膀上，金属导杆远离所述空心半球的一端为球体，所述球体的直径为D，单位为mm；电阻丝接地的一端和电阻丝接供电电池的电源输出端的一端均位于半球罩的正前端，电阻丝接地的一端高于电阻丝接供电电池的电源输出端的一端，电阻丝接地的一端与电阻丝接供电电池的电源输出端的一端之间的距离大于D；
监测板上集成有均与微控制器连接的环境温度传感器和显示器；
步骤二、无线中继器组的形成：每个佩戴人身安全监测装置的救援人员均携带多个无线中继器，并依次进入井下进行救援工作，进入井下的救援人员根据无线信号强度布置无线中继器的位置，保证第一个无线中继器与井下工控机无线通信正常，保证除第一个无线中继器之外的无线中继器均有另外的无线中继器与其正常无线通信，布置在井下的全部的无线中继器形成无线中继器组，人身安全监测装置通过无线中继器组与井下工控机通信；
步骤三、救援人员人身安全数据的采集及传输，过程如下：
步骤301、救援人员生命体征数据的采集及传输：手腕上安装的生命体征数据采集机构采集救援人员生命体征数据，所述生命体征数据采集机构包括均与微控制器连接的心率传感器、体温传感器和血压传感器，微控制器将救援人员的心率、体温和血压数据依次通过无线WIFI模块、无线中继器组和井下工控机传输至地面工控机；
步骤302、气体信息的采集及传输：利用所述氧气面罩内设置的均与微控制器连接的氧气传感器、二氧化碳传感器和甲烷传感器采集氧气面罩内气体成分，微控制器将氧气面罩内气体成分信息依次通过无线WIFI模块、无线中继器组和井下工控机传输至地面工控机；
步骤303、救援人员位姿信息的采集及传输：救援人员在井下走动会带动转球在半球座内转动，进而带动金属导杆在半球罩内表面滑动；
当救援人员正常行走时，金属导杆位于电阻丝内部的半球罩内表面滑动，由于半球罩为绝缘半球罩，金属导杆未与电阻丝接触，直流电压传感器未获取电压信号，显示器上不显示电压数据；
当救援人员向后倾倒时，转球受重力作用影响在半球座内转动，使金属导杆保持向上的状态，金属导杆沿半球罩内表面滑动至与位于半球罩正前端的电阻丝接触，金属导杆先与电阻丝接地的一端接触，直流电压传感器获取接地信号，显示器上显示0伏电压，紧接着金属导杆经过电阻丝的接地端和电阻丝的接供电电池电源输出端之间的间隙后与电阻丝接供电电池的电源输出端的一端接触，直流电压传感器获取供电电池的电源输出端的电压信号，其中，供电电池的供电电压为W，单位为V，显示器上0伏电压变为W伏电压；
当救援人员向前倾倒时，转球受重力作用影响在半球座内转动，使金属导杆保持向上的状态，金属导杆沿半球罩内表面滑动至与位于半球罩正后端的电阻丝接触，直流电压传感器获取电阻丝的分压信号，显示器上显示伏电压；
当救援人员向右倾倒时，转球受重力作用影响在半球座内转动，使金属导杆保持向上的状态，金属导杆沿半球罩内表面滑动至与位于半球罩左端的电阻丝接触，直流电压传感器获取电阻丝的分压信号，显示器上显示伏电压；
当救援人员向左倾倒时，转球受重力作用影响在半球座内转动，使金属导杆保持向上的状态，金属导杆沿半球罩内表面滑动至与位于半球罩右端的电阻丝接触，直流电压传感器获取电阻丝的分压信号，显示器上显示伏电压；
微控制器将直流电压传感器获取的电压信号依次通过无线WIFI模块、无线中继器组和井下工控机传输至地面工控机，获取救援人员的位姿信息；
步骤四、救援人员人身安全监测：地面工控机根据救援人员的心率、体温和血压数据确定救援人员生命体征数据，当救援人员心率不在60次/min～100次/min范围内时，地面工控机对该救援人员采取救援措施；当救援人员体温不在36℃～37.5℃范围内时，地面工控机对该救援人员采取救援措施；当救援人员血压不在45mmHg～165mmHg范围内时，地面工控机对该救援人员采取救援措施；
地面工控机根据氧气面罩内气体成分信息确定压缩氧自救器是否氧气不足或氧气面罩损坏，当氧气面罩内气体成分出现甲烷且甲烷质量浓度>1％时，氧气面罩损坏，地面工控机对该救援人员采取救援措施；当氧气面罩内气体成分中氧气质量浓度<19.5％或二氧化碳质量浓度>1％时，压缩氧自救器氧气不足，地面工控机对该救援人员采取救援措施；
地面工控机根据直流电压传感器是否获取电压信号以及直流电压传感器获取电阻丝的分压信号具体数据，确定救援人员位姿信息，同时集合计时器计时长短，判断救援人员是否被困，当直流电压传感器获取电阻丝的分压信号，且计时器计时超过预先设置的时间阈值时，地面工控机对该救援人员采取救援措施。
上述的方法，其特征在于：所述环境温度传感器实时采集井下环境温度数据，当环境温度传感器采集的环境温度数据超过预先设置的环境温度阈值时，地面工控机对该救援人员采取救援措施。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的系统，通过设置多个无线中继器形成无线中继器组，实现人身安全监测装置与井下工控机的通信，易于实现，对煤矿井下的复杂环境具有很好的适应性，便于推广使用。
2、本发明采用的系统，可利用气体采集机构获取救援人员呼吸的气体成分，可利用生命体征数据采集机构获取救援人员的生命体征参数，可利用位姿采集机构获取救援人员的救援人员具体身体姿态，结合计时器获知救援人员是否被困，功能完备。
3、本发明采用的系统中位姿采集机构的转球采用实心半球和空心半球的机构，当人体倾斜时，半球壳随人体倾斜而同步倾斜，而转球由于球体向着势能低的状态变化而转动，使金属导杆始终保持向上，实现金属导杆在半球罩内表面移动，电阻丝缠绕嵌入安装在半球罩上，限定了金属导杆通电的位置，根据金属导杆的转动角度可获取救援人员倾倒的角度，根据实际经验设定电阻丝的安装位置，作为判断救援人员是否倾倒的依据，且电阻丝缠绕嵌入安装在半球罩上一周，可实现救援人员360°倾倒状态，获取救援人员具体身体姿态，可靠稳定，使用效果好。
4、本发明采用的方法，步骤简单，每个救援人员通过佩戴人身安全监测装置，并根据井下无线信号强度救援人员自主布置无线中继器的位置，形成无线中继器组，实现人身安全监测装置与井下工控机的通信，利用率高，节约成本，利用每个救援人员身上的人身安全监测装置采集救援人员人身安全数据，且每个人身安全监测装置均有无线数据通信功能实现救援人员人身安全数据的上传，便于地面工控机对每个救援人员的人身安全监测，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，利用在井下布设多个无线中继器实现井下通信互联，减少井下网线的布设，灵活可靠，利用率高，并通过位姿采集机构获取救援人员具体身体姿态，结合计时器获知救援人员是否被困，易于实现，对煤矿井下的复杂环境具有很好的适应性，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明采用的系统的电路原理框图。
图2为本发明采用的系统中人身安全监测装置的电路原理框图。
图3为本发明采用的系统中位姿采集机构安装在人体肩膀上的结构示意图。
图4为本发明采用的系统中位姿采集机构安装在人体肩膀上的结构俯视图。
图5为图4的A-A剖视图。
图6为本发明方法的流程框图。
附图标记说明:
1—人身安全监测装置；1-1—心率传感器； 1-2—体温传感器；
1-3—血压传感器； 1-4—环境温度传感器；1-5—显示器；
1-6—微控制器； 1-7—氧气传感器； 1-8—二氧化碳传感器；
1-9—甲烷传感器； 1-10—直流电压传感器；
1-11—计时器； 1-12—供电电池； 1-13—无线WIFI模块；
1-14—底板； 1-15—半球罩； 1-16—电阻丝；
1-17—半球座； 1-18—转球； 1-19—金属导杆；
2—无线中继器； 3—井下工控机； 4—地面工控机；
7—人体肩膀。
具体实施方式
如图1至图5所示，本发明所述的一种井下救援人员安全监测系统，包括井下工控机3、与井下工控机3无线通信的无线中继器组和安装在救援人员身上且通过所述无线中继器组与井下工控机3通信的人身安全监测装置1，所述无线中继器组包括多个无线中继器2，井下工控机3通过光纤与地面工控机4连接，人身安全监测装置1包括监测板、气体采集机构、生命体征数据采集机构和位姿采集机构，所述监测板上集成有微控制器1-6、供电电池1-12以及均与微控制器1-6连接的计时器1-11和无线WIFI模块1-13，所述气体采集机构包括压缩氧自救器和与所述压缩氧自救器配合的氧气面罩，所述氧气面罩内设置有均与微控制器1-6连接的氧气传感器1-7、二氧化碳传感器1-8和甲烷传感器1-9；
本实施例中，所述生命体征数据采集机构包括均与微控制器1-6连接的心率传感器1-1、体温传感器1-2和血压传感器1-3；
所述位姿采集机构包括半球壳、设置在所述半球壳内的半球座1-17和设置在半球座1-17内且与半球座1-17滑动配合的转球1-18，所述半球壳由半球罩1-15和封闭半球罩1-15的底板1-14组成，半球座1-17固定安装在底板1-14上，转球1-18由实心半球和空心半球组成，所述空心半球外壳上固定安装有金属导杆1-19，金属导杆1-19所在直线的延伸线与实心半球和空心半球的交平面垂直，金属导杆1-19远离所述空心半球的一端与半球罩1-15内表面相抵，电阻丝1-16缠绕嵌入安装在半球罩1-15上，电阻丝1-16的一端接地，电阻丝1-16的另一端与供电电池1-12的电源输出端连接，半球罩1-15为绝缘半球罩，金属导杆1-19上设置有与微控制器1-6连接的直流电压传感器1-10。
需要说明的是，转球1-18采用实心半球和空心半球的机构，由于球体质心总是趋于稳定的原理，实心半球总是位于空心半球的下部，转球1-18安装在半球座1-17内且与金属导杆1-19配合的目的是限位转球1-18在半球座1-17内转动，转球1-18的外表面与半球座1-17的内表面尺寸一致，避免转球1-18滑落在半球座1-17外，使位姿采集机构失效，当人体倾斜时，半球壳随人体倾斜而同步倾斜，而转球1-18由于球体向着势能低的状态变化而转动，使金属导杆1-19始终保持向上，实现金属导杆1-19在半球罩1-15内表面移动；电阻丝1-16缠绕嵌入安装在半球罩1-15上，实际使用中，电阻丝1-16的安装位置限定了金属导杆1-19通电的位置，根据金属导杆1-19的转动角度可获取救援人员倾倒的角度，根据实际经验设定电阻丝1-16的安装位置，作为判断救援人员是否倾倒的依据，且电阻丝1-16缠绕嵌入安装在半球罩1-15上一周，可实现救援人员360°倾倒状态，获取救援人员具体身体姿态，结合计时器获知救援人员是否被困，易于实现，半球罩1-15为绝缘半球罩，当金属导杆1-19在电阻丝1-16内部的半球罩1-15内表面滑动时，说明救援人员行进正常。
实际使用中，由金属导杆1-19的转动角度获取救援人员倾倒的角度，可调整半球罩1-15和半球座1-17的球体半径比，进而调整金属导杆1-19的转动角度范围。
本实施例中，所述监测板上还集成有均与微控制器1-6连接的环境温度传感器1-4和显示器1-5。
需要说明的是，设置环境温度传感器1-4的目的是实时采集井下环境温度数据，当环境温度传感器1-4采集的环境温度数据超过预先设置的环境温度阈值时，地面工控机4对该救援人员采取救援措施；显示器1-5可直观的显示救援人员位于井下的安全参数，实时的提示救援人员的注意安全。
本实施例中，所述底板1-14安装在人体肩膀7上，金属导杆1-19远离所述空心半球的一端为球体，所述球体的直径为D，单位为mm；电阻丝1-16接地的一端和电阻丝1-16接供电电池1-12的电源输出端的一端均位于半球罩1-15的正前端，电阻丝1-16接地的一端高于电阻丝1-16接供电电池1-12的电源输出端的一端，电阻丝1-16接地的一端与电阻丝1-16接供电电池1-12的电源输出端的一端之间的距离大于D。
需要说明的是，金属导杆1-19远离所述空心半球的一端为球体的目的是便于金属导杆1-19在半球罩1-15内表面稳定的滑动，避免使用尖形结构对半球罩1-15内表面造成划伤，延长位姿采集机构的使用寿命，电阻丝1-16接地的一端高于电阻丝1-16接供电电池1-12的电源输出端的一端，实现缠绕一周的电阻丝1-16可全部投入使用，电阻丝1-16接地的一端与电阻丝1-16接供电电池1-12的电源输出端的一端之间的距离大于D的目的是避免金属导杆1-19的球体端同时与电阻丝1-16的接地端和电阻丝1-16的接电源端接通，使供电电池1-12的电源输出端和地短路，造成供电电池1-12的损坏。
本实施例中，所述电阻丝1-16为镍铬合金丝。
如图6所示的一种井下救援人员安全监测方法，包括以下步骤：
步骤一、人身安全监测装置的佩戴：每个救援人员均携带监测板，并在人体肩膀7上安装位姿采集机构，手腕上安装生命体征数据采集机构，背带压缩氧自救器并佩戴氧气面罩；
所述位姿采集机构的底板1-14安装在人体肩膀7上，金属导杆1-19远离所述空心半球的一端为球体，所述球体的直径为D，单位为mm；电阻丝1-16接地的一端和电阻丝1-16接供电电池1-12的电源输出端的一端均位于半球罩1-15的正前端，电阻丝1-16接地的一端高于电阻丝1-16接供电电池1-12的电源输出端的一端，电阻丝1-16接地的一端与电阻丝1-16接供电电池1-12的电源输出端的一端之间的距离大于D；
监测板上集成有均与微控制器1-6连接的环境温度传感器1-4和显示器1-5；
步骤二、无线中继器组的形成：每个佩戴人身安全监测装置1的救援人员均携带多个无线中继器2，并依次进入井下进行救援工作，进入井下的救援人员根据无线信号强度布置无线中继器2的位置，保证第一个无线中继器2与井下工控机3无线通信正常，保证除第一个无线中继器2之外的无线中继器2均有另外的无线中继器2与其正常无线通信，布置在井下的全部的无线中继器2形成无线中继器组，人身安全监测装置1通过无线中继器组与井下工控机3通信；
步骤三、救援人员人身安全数据的采集及传输，过程如下：
步骤301、救援人员生命体征数据的采集及传输：手腕上安装的生命体征数据采集机构采集救援人员生命体征数据，所述生命体征数据采集机构包括均与微控制器1-6连接的心率传感器1-1、体温传感器1-2和血压传感器1-3，微控制器1-6将救援人员的心率、体温和血压数据依次通过无线WIFI模块1-13、无线中继器组和井下工控机3传输至地面工控机4；
步骤302、气体信息的采集及传输：利用所述氧气面罩内设置的均与微控制器1-6连接的氧气传感器1-7、二氧化碳传感器1-8和甲烷传感器1-9采集氧气面罩内气体成分，微控制器1-6将氧气面罩内气体成分信息依次通过无线WIFI模块1-13、无线中继器组和井下工控机3传输至地面工控机4；
步骤303、救援人员位姿信息的采集及传输：救援人员在井下走动会带动转球1-18在半球座1-17内转动，进而带动金属导杆1-19在半球罩1-15内表面滑动；
当救援人员正常行走时，金属导杆1-19位于电阻丝1-16内部的半球罩1-15内表面滑动，由于半球罩1-15为绝缘半球罩，金属导杆1-19未与电阻丝1-16接触，直流电压传感器1-10未获取电压信号，显示器1-5上不显示电压数据；
当救援人员向后倾倒时，转球1-18受重力作用影响在半球座1-17内转动，使金属导杆1-19保持向上的状态，金属导杆1-19沿半球罩1-15内表面滑动至与位于半球罩1-15正前端的电阻丝1-16接触，金属导杆1-19先与电阻丝1-16接地的一端接触，直流电压传感器1-10获取接地信号，显示器1-5上显示0伏电压，紧接着金属导杆1-19经过电阻丝1-16的接地端和电阻丝1-16的接供电电池1-12电源输出端之间的间隙后与电阻丝1-16接供电电池1-12的电源输出端的一端接触，直流电压传感器1-10获取供电电池1-12的电源输出端的电压信号，其中，供电电池1-12的供电电压为W，单位为V，显示器1-5上0伏电压变为W伏电压；
当救援人员向前倾倒时，转球1-18受重力作用影响在半球座1-17内转动，使金属导杆1-19保持向上的状态，金属导杆1-19沿半球罩1-15内表面滑动至与位于半球罩1-15正后端的电阻丝1-16接触，直流电压传感器1-10获取电阻丝1-16的分压信号，显示器1-5上显示伏电压；
需要说明的是，电阻丝1-16近似圆形的缠绕嵌入安装在半球罩1-15上，仅将电阻丝1-16的两端末端上下分开布设，当救援人员向前倾倒时，金属导杆1-19沿半球罩1-15内表面滑动至与位于半球罩1-15正后端的电阻丝1-16接触，直流电压传感器1-10获取电阻丝1-16的分压信号由电阻丝1-16布设不对称而带来的误差可忽略不计，显示器1-5上显示伏电压。
当救援人员向右倾倒时，转球1-18受重力作用影响在半球座1-17内转动，使金属导杆1-19保持向上的状态，金属导杆1-19沿半球罩1-15内表面滑动至与位于半球罩1-15左端的电阻丝1-16接触，直流电压传感器1-10获取电阻丝1-16的分压信号，显示器1-5上显示伏电压；
当救援人员向左倾倒时，转球1-18受重力作用影响在半球座1-17内转动，使金属导杆1-19保持向上的状态，金属导杆1-19沿半球罩1-15内表面滑动至与位于半球罩1-15右端的电阻丝1-16接触，直流电压传感器1-10获取电阻丝1-16的分压信号，显示器1-5上显示伏电压；
微控制器1-6将直流电压传感器1-10获取的电压信号依次通过无线WIFI模块1-13、无线中继器组和井下工控机3传输至地面工控机4，获取救援人员的位姿信息；
步骤四、救援人员人身安全监测：地面工控机4根据救援人员的心率、体温和血压数据确定救援人员生命体征数据，当救援人员心率不在60次/min～100次/min范围内时，地面工控机4对该救援人员采取救援措施；当救援人员体温不在36℃～37.5℃范围内时，地面工控机4对该救援人员采取救援措施；当救援人员血压不在45mmHg～165mmHg范围内时，地面工控机4对该救援人员采取救援措施；
地面工控机4根据氧气面罩内气体成分信息确定压缩氧自救器是否氧气不足或氧气面罩损坏，当氧气面罩内气体成分出现甲烷且甲烷质量浓度>1％时，氧气面罩损坏，地面工控机4对该救援人员采取救援措施；当氧气面罩内气体成分中氧气质量浓度<19.5％或二氧化碳质量浓度>1％时，压缩氧自救器氧气不足，地面工控机4对该救援人员采取救援措施；
地面工控机4根据直流电压传感器1-10是否获取电压信号以及直流电压传感器1-10获取电阻丝1-16的分压信号具体数据，确定救援人员位姿信息，同时集合计时器1-11计时长短，判断救援人员是否被困，当直流电压传感器1-10获取电阻丝1-16的分压信号，且计时器1-11计时超过预先设置的时间阈值时，地面工控机4对该救援人员采取救援措施。
本实施例中，所述环境温度传感器1-4实时采集井下环境温度数据，当环境温度传感器1-4采集的环境温度数据超过预先设置的环境温度阈值时，地面工控机4对该救援人员采取救援措施。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种井下救援人员安全监测系统，其特征在于：包括井下工控机(3)、与井下工控机(3)无线通信的无线中继器组和安装在救援人员身上且通过所述无线中继器组与井下工控机(3)通信的人身安全监测装置(1)，所述无线中继器组包括多个无线中继器(2)，井下工控机(3)通过光纤与地面工控机(4)连接，人身安全监测装置(1)包括监测板、气体采集机构、生命体征数据采集机构和位姿采集机构，所述监测板上集成有微控制器(1-6)、供电电池(1-12)以及均与微控制器(1-6)连接的计时器(1-11)和无线WIFI模块(1-13)，所述气体采集机构包括压缩氧自救器和与所述压缩氧自救器配合的氧气面罩，所述氧气面罩内设置有均与微控制器(1-6)连接的氧气传感器(1-7)、二氧化碳传感器(1-8)和甲烷传感器(1-9)；
所述位姿采集机构包括半球壳、设置在所述半球壳内的半球座(1-17)和设置在半球座(1-17)内且与半球座(1-17)滑动配合的转球(1-18)，所述半球壳由半球罩(1-15)和封闭半球罩(1-15)的底板(1-14)组成，半球座(1-17)固定安装在底板(1-14)上，转球(1-18)由实心半球和空心半球组成，所述空心半球外壳上固定安装有金属导杆(1-19)，金属导杆(1-19)所在直线的延伸线与实心半球和空心半球的交平面垂直，金属导杆(1-19)远离所述空心半球的一端与半球罩(1-15)内表面相抵，电阻丝(1-16)缠绕嵌入安装在半球罩(1-15)上，电阻丝(1-16)的一端接地，电阻丝(1-16)的另一端与供电电池(1-12)的电源输出端连接，半球罩(1-15)为绝缘半球罩，金属导杆(1-19)上设置有与微控制器(1-6)连接的直流电压传感器(1-10)。
2.按照权利要求1所述的一种井下救援人员安全监测系统，其特征在于：所述生命体征数据采集机构包括均与微控制器(1-6)连接的心率传感器(1-1)、体温传感器(1-2)和血压传感器(1-3)。
3.按照权利要求1所述的一种井下救援人员安全监测系统，其特征在于：所述监测板上还集成有均与微控制器(1-6)连接的环境温度传感器(1-4)和显示器(1-5)。
4.按照权利要求1所述的一种井下救援人员安全监测系统，其特征在于：所述底板(1-14)安装在人体肩膀(7)上，金属导杆(1-19)远离所述空心半球的一端为球体，所述球体的直径为D，单位为mm；电阻丝(1-16)接地的一端和电阻丝(1-16)接供电电池(1-12)的电源输出端的一端均位于半球罩(1-15)的正前端，电阻丝(1-16)接地的一端高于电阻丝(1-16)接供电电池(1-12)的电源输出端的一端，电阻丝(1-16)接地的一端与电阻丝(1-16)接供电电池(1-12)的电源输出端的一端之间的距离大于D。
5.按照权利要求1所述的一种井下救援人员安全监测系统，其特征在于：所述电阻丝(1-16)为镍铬合金丝。
6.一种利用如权利要求1所述系统进行井下救援人员安全监测的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、人身安全监测装置的佩戴：每个救援人员均携带监测板，并在人体肩膀(7)上安装位姿采集机构，手腕上安装生命体征数据采集机构，背带压缩氧自救器并佩戴氧气面罩；
所述位姿采集机构的底板(1-14)安装在人体肩膀(7)上，金属导杆(1-19)远离所述空心半球的一端为球体，所述球体的直径为D，单位为mm；电阻丝(1-16)接地的一端和电阻丝(1-16)接供电电池(1-12)的电源输出端的一端均位于半球罩(1-15)的正前端，电阻丝(1-16)接地的一端高于电阻丝(1-16)接供电电池(1-12)的电源输出端的一端，电阻丝(1-16)接地的一端与电阻丝(1-16)接供电电池(1-12)的电源输出端的一端之间的距离大于D；
监测板上集成有均与微控制器(1-6)连接的环境温度传感器(1-4)和显示器(1-5)；
步骤二、无线中继器组的形成：每个佩戴人身安全监测装置(1)的救援人员均携带多个无线中继器(2)，并依次进入井下进行救援工作，进入井下的救援人员根据无线信号强度布置无线中继器(2)的位置，保证第一个无线中继器(2)与井下工控机(3)无线通信正常，保证除第一个无线中继器(2)之外的无线中继器(2)均有另外的无线中继器(2)与其正常无线通信，布置在井下的全部的无线中继器(2)形成无线中继器组，人身安全监测装置(1)通过无线中继器组与井下工控机(3)通信；
步骤三、救援人员人身安全数据的采集及传输，过程如下：
步骤301、救援人员生命体征数据的采集及传输：手腕上安装的生命体征数据采集机构采集救援人员生命体征数据，所述生命体征数据采集机构包括均与微控制器(1-6)连接的心率传感器(1-1)、体温传感器(1-2)和血压传感器(1-3)，微控制器(1-6)将救援人员的心率、体温和血压数据依次通过无线WIFI模块(1-13)、无线中继器组和井下工控机(3)传输至地面工控机(4)；
步骤302、气体信息的采集及传输：利用所述氧气面罩内设置的均与微控制器(1-6)连接的氧气传感器(1-7)、二氧化碳传感器(1-8)和甲烷传感器(1-9)采集氧气面罩内气体成分，微控制器(1-6)将氧气面罩内气体成分信息依次通过无线WIFI模块(1-13)、无线中继器组和井下工控机(3)传输至地面工控机(4)；
步骤303、救援人员位姿信息的采集及传输：救援人员在井下走动会带动转球(1-18)在半球座(1-17)内转动，进而带动金属导杆(1-19)在半球罩(1-15)内表面滑动；
当救援人员正常行走时，金属导杆(1-19)位于电阻丝(1-16)内部的半球罩(1-15)内表面滑动，由于半球罩(1-15)为绝缘半球罩，金属导杆(1-19)未与电阻丝(1-16)接触，直流电压传感器(1-10)未获取电压信号，显示器(1-5)上不显示电压数据；
当救援人员向后倾倒时，转球(1-18)受重力作用影响在半球座(1-17)内转动，使金属导杆(1-19)保持向上的状态，金属导杆(1-19)沿半球罩(1-15)内表面滑动至与位于半球罩(1-15)正前端的电阻丝(1-16)接触，金属导杆(1-19)先与电阻丝(1-16)接地的一端接触，直流电压传感器(1-10)获取接地信号，显示器(1-5)上显示0伏电压，紧接着金属导杆(1-19)经过电阻丝(1-16)的接地端和电阻丝(1-16)的接供电电池(1-12)电源输出端之间的间隙后与电阻丝(1-16)接供电电池(1-12)的电源输出端的一端接触，直流电压传感器(1-10)获取供电电池(1-12)的电源输出端的电压信号，其中，供电电池(1-12)的供电电压为W，单位为V，显示器(1-5)上0伏电压变为W伏电压；
当救援人员向前倾倒时，转球(1-18)受重力作用影响在半球座(1-17)内转动，使金属导杆(1-19)保持向上的状态，金属导杆(1-19)沿半球罩(1-15)内表面滑动至与位于半球罩(1-15)正后端的电阻丝(1-16)接触，直流电压传感器(1-10)获取电阻丝(1-16)的分压信号，显示器(1-5)上显示伏电压；
当救援人员向右倾倒时，转球(1-18)受重力作用影响在半球座(1-17)内转动，使金属导杆(1-19)保持向上的状态，金属导杆(1-19)沿半球罩(1-15)内表面滑动至与位于半球罩(1-15)左端的电阻丝(1-16)接触，直流电压传感器(1-10)获取电阻丝(1-16)的分压信号，显示器(1-5)上显示伏电压；
当救援人员向左倾倒时，转球(1-18)受重力作用影响在半球座(1-17)内转动，使金属导杆(1-19)保持向上的状态，金属导杆(1-19)沿半球罩(1-15)内表面滑动至与位于半球罩(1-15)右端的电阻丝(1-16)接触，直流电压传感器(1-10)获取电阻丝(1-16)的分压信号，显示器(1-5)上显示伏电压；
微控制器(1-6)将直流电压传感器(1-10)获取的电压信号依次通过无线WIFI模块(1-13)、无线中继器组和井下工控机(3)传输至地面工控机(4)，获取救援人员的位姿信息；
步骤四、救援人员人身安全监测：地面工控机(4)根据救援人员的心率、体温和血压数据确定救援人员生命体征数据，当救援人员心率不在60次/min～100次/min范围内时，地面工控机(4)对该救援人员采取救援措施；当救援人员体温不在36℃～37.5℃范围内时，地面工控机(4)对该救援人员采取救援措施；当救援人员血压不在45mmHg～165mmHg范围内时，地面工控机(4)对该救援人员采取救援措施；
地面工控机(4)根据氧气面罩内气体成分信息确定压缩氧自救器是否氧气不足或氧气面罩损坏，当氧气面罩内气体成分出现甲烷且甲烷质量浓度>1％时，氧气面罩损坏，地面工控机(4)对该救援人员采取救援措施；当氧气面罩内气体成分中氧气质量浓度<19.5％或二氧化碳质量浓度>1％时，压缩氧自救器氧气不足，地面工控机(4)对该救援人员采取救援措施；
地面工控机(4)根据直流电压传感器(1-10)是否获取电压信号以及直流电压传感器(1-10)获取电阻丝(1-16)的分压信号具体数据，确定救援人员位姿信息，同时集合计时器(1-11)计时长短，判断救援人员是否被困，当直流电压传感器(1-10)获取电阻丝(1-16)的分压信号，且计时器(1-11)计时超过预先设置的时间阈值时，地面工控机(4)对该救援人员采取救援措施。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：所述环境温度传感器(1-4)实时采集井下环境温度数据，当环境温度传感器(1-4)采集的环境温度数据超过预先设置的环境温度阈值时，地面工控机(4)对该救援人员采取救援措施。
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