一种心率识别设备及基于该设备的煤矿井下放炮人员识别方法

摘要

一种心率识别设备及基于该设备的煤矿井下放炮人员识别方法，属于煤矿井下联锁放炮工作过程中的身份识别技术。本发明解决了现有的识别技术在煤矿放炮领域的局限性，以及现有识别设备在煤矿井下使用过程中的准确识别率低的问题，技术方案为：通过心率采集装置采集放炮人员心率信息；执行井下放炮任务前，下发放炮人员心率信息给FB200LS矿用连锁发爆器，使放炮地点和放炮人员唯一性对应；执行井下放炮任务时，放炮人员使用携带的心率识别设备，进行放炮人员的信息匹配；心率识别设备由采集芯片、单片机、无线射频芯片、编程选择接口电路、复位电路、晶振电路和高通电路组成。本发明可应用于煤矿井下放炮人员的信息化的管理。

说明书

技术领域

本发明涉及通过心率识别人员的方法，尤其涉及煤矿井下放炮人员的识别方法及心率 识别设备，属于煤矿井下联锁放炮工作过程中的身份识别技术。

背景技术

在井下作业中，“三人连锁爆破制度”是爆破工、班组长(跟班队长)、瓦斯检查员(安 全员)三人必须同时参加爆破工作的全过程，并执行换牌制。在煤矿井下联锁放炮监控系 统中，代替打卡和工作人员不到位问题，更使得准确验证作业人员的身份尤为重要。

现有的身份识别系统有打卡识别系统、指纹识别系统、声音识别系统、虹膜识别系统 和人脸识别系统等。在实际工作中，上述井下人员识别方法存在如下问题：

打卡识别可出现代替打卡现象。指纹识别中，指纹容易损伤、玷污，给准确识别带来 困难。先天无指纹或指纹不清的人甚至根本无法使用，特别是对于矿工来说，长期的体力 劳动直接导致很多矿工指纹磨损，也同样导致无法采集识别。声音识别中，声音因为变化 的范围太大，故而很难进行一些精确的匹配。虹膜识别中，镜头可能会使图像畸变而使得 可靠性大为降低。煤矿井下光线昏暗，使得虹膜识别准确率降低。而且井下粉尘多，虹膜 面板容易沾上灰尘，使得图像不清晰，无法正确识别。人脸识别中，在煤矿井下人脸识别 系统如遇到光线昏暗、人脸附着粉尘或人脸被遮挡等情况时，人脸识别准确率会受到干扰 而降低。

心率识别根据一个人的心跳节律大体上是稳定的，每个人心跳的形状都不一样，而且 不会改变对人员进行身份识别。即便人的心跳加速，心跳的总体形状依然不会改变。心率 识别具有(1)普遍性，每个正常人都应该具有这种特征。(2)唯一性，不同的人具有的这种 特征各不相同。(3)可采集性，所选择的特征可以定量测量。(4)稳定性，所选择的特征至 少在一段较长的时间内是不变的，并且特征的采集不随条件、环境的变化而变化。(5)安 全性，心率不能被复制，不受煤矿井下恶劣环境影响。

2001年，Lena Biel等人最早提出了利用心率进行身份识别的方法，此后，国内外学 者对心率身份识别及其相关技术做了深入细致的研究工作，并取得了一些阶段性的研究成 果。国内郑州大学第二附属医院心电图科科主任李中健教授，通过30多年心电图工作发 现不同人的心电图波形自出生后即像指纹一样各不相同，同一个人的心电图波形在出生后 到18岁成年前变化较大。成年后则相对稳定、基本不变，由此提出心电图心电波形是具 有唯一性的。美国威斯康星大学生物医学工程专业的T.w.Shen等人运用模板匹配和决 策神经网络相结合的方法研究了用心率信号来识别人的身份。Shen的方法为：(1)特征提 取：从MIT/BIH数据库选择了20个正常人的心搏进行分析。(2)模板匹配：用模板匹配 方法作为预处理工具。(3)识别：从20个人的心电图信号中各提取20个波形，组成400 个心搏集合。从这些波形中提取特征参数对决策神经网络进行训练。将选择出的匹配的对 象送入决策神经网络进行最后的身份认证。试验结果表明，仅采用模板匹配的方法正确识 别率为95％，仅采用决策神经网络的方法正确识别率为80％，而将两种方法相结合，其 识别率为100％。该研究表明心电图信号是一个潜在的用于身份认证的生物特征识别技 术。综上所述，广大学者对于心率身份识别的研究还大都停留在识别算法的研究和改进上。

随着我国3G手机的广泛普及,利用手机作为网络的个体终端设备来接收、处理和传输 采集到的人体生理信号成为一种可能,山东大学杨立才教授提出了在3G智能手机Android 平台上，基于eclipse开发出基于心电采集的身份识别软件，用以识别不同人员的身份， 并可进行编辑操作。国外加拿大创业公司Bionym，根据生物识别技术心电图唯一性，推 出了一款名为Nymi的腕带设备。可识别佩戴者的心跳频率做为密码完成支付过程。然而， 以上利用心率进行人员身份识别的产品，不具备本质安全及隔爆性能，未实现数据传输标 准化，无法适应煤矿井下特殊的工作环境。

发明内容

本发明的目的是提出一种心率识别设备及基于该设备的煤矿井下放炮人员识别方法， 以解决针对现有的识别技术在煤矿放炮领域的局限性，以及现有识别设备在煤矿井下使用 过程中的准确识别率低的问题。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明所述的一种心率识别设备，包括采集芯片A、单片机B、无线射频芯片C、编 程选择接口电路D、复位电路E、晶振电路F、编程选择接口电路G、晶振电路H和高通 电路I；

采集芯片A为BMD101采集芯片，单片机B为STM32F103RBT6单片机，无线射频 芯片C为nRF24L01无线射频芯片；

其中，高通电路I的两个输入端分别与用于采集人体心电信号的传感器1、传感器2 连接，传感器1与高通电路I的电阻R2的一端相连，传感器2通过电容C1与电阻R2的 另一端连接；

高通电路I的电阻R2的一端还与BMD101采集芯片A的SEP端口连接，高通电路I 的电阻R2的另一端还与BMD101采集芯片的SEN端口连接；

BMD101采集芯片A的RX端口与STM32F103RBT6单片机B的PA9端口连接， BMD101采集芯片A的TX端口与STM32F103RBT6单片机B的PA10端口连接；

晶振电路F的电容C2一端接地、另一端与电容Y1的一端连接，电容C3的一端接 地、另一端与电容Y1的另一端连接，STM32F103RBT6单片机B的OSC_IN/PD0端口、 OSC_OUT/PD1端口分别与晶振电路F的电容Y1两端连接；

STM32F103RBT6单片机B的BOOT0端口与编程选择接口电路D的输出端连接；

STM32F103RBT6单片机B的NRST端口与复位电路E的输出端连接；

STM32F103RBT6单片机B的PB2/BOOT1端口与编程选择接口电路G的输入端连 接；

晶振电路H的电容C4一端接地、另一端与电容Y2的一端连接，电容C7的一端接 地、另一端与电容Y2的另一端连接，STM32F103RBT6单片机B的PC14-OSC32_IN端 口、PC15-OSC32_OUT端口分别与晶振电路H的电容Y2两端连接；

STM32F103RBT6单片机B的端口PB13与nRF24L01无线射频芯片的端口CE连接， STM32F103RBT6单片机B的端口PB14与nRF24L01无线射频芯片的端口CSN连接， STM32F103RBT6单片机B的端口PB15与nRF24L01无线射频芯片的端口SCK连接， STM32F103RBT6单片机B的端口PC0与nRF24L01无线射频芯片的端口MOSI连接， STM32F103RBT6单片机B的端口PC1与nRF24L01无线射频芯片的端口MISO连接， STM32F103RBT6单片机B的端口PC2与nRF24L01无线射频芯片的端口IRQ连接。 基于所述心率识别设备的煤矿井下放炮人员识别方法，包括以下步骤：

步骤一、位于井上的矿井地面监控中心通过心率采集芯片采集放炮人员心率信息，并存入 矿井地面监控中心主计算机；

步骤二、执行放炮任务前，在井上通过矿井地面监控中心主计算机服务器下发放炮人员心 率信息给FB200LS矿用连锁发爆器，并设置放炮地点，使放炮地点和放炮人员唯一性对 应；

步骤三、在井下执行放炮任务时，放炮人员使用携带的心率识别设备获取人体的心电数字 信号并通过无线模块将信号发送给FB200LS矿用连锁发爆器，所述发爆器将接收的心电 数字信号与步骤二中下发给发爆器的人员心率信息进行对比，从而完成放炮人员的识别。 本发明的有益效果是：

1.本发明方法具有对煤矿井下放炮作业中的操作人员进行身份识别的功能，防止其他人 代替放炮作业中人员打卡；

2.本发明方法具有安全性，因为放炮作业中人员心率不能被复制；

3.本发明方法稳定性好，不受煤矿井下恶劣环境影响；

4.在煤矿井下放炮作业人员下井时，本发明设备便于放炮操作人员携带，放炮人员工作时 心率不受井下环境影响，提高煤矿井下人员信息采集准确率不小于6％。

附图说明

图1为心率识别设备电路图；

图2为煤矿井下联锁放炮业务流程图；

图3为煤矿井下联锁放炮系统部署图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1理解本实施方式，本实施方式所述的一种心率识别设备， 其特征在于所述心率识别设备包括采集芯片A、单片机B、无线射频芯片C、编程选择接 口电路D、复位电路E、晶振电路F、编程选择接口电路G、晶振电路H和高通电路I；

采集芯片A为BMD101采集芯片，单片机B为STM32F103RBT6单片机，无线射频 芯片C为nRF24L01无线射频芯片；

其中，高通电路I的两个输入端分别与用于采集人体心电信号的传感器1、传感器2 连接，传感器1与高通电路I的电阻R2的一端相连，传感器2通过电容C1与电阻R2的 另一端连接；

高通电路I的电阻R2的一端还与BMD101采集芯片A的SEP端口连接，高通电路I 的电阻R2的另一端还与BMD101采集芯片的SEN端口连接；

BMD101采集芯片A的RX端口与STM32F103RBT6单片机B的PA9端口连接， BMD101采集芯片A的TX端口与STM32F103RBT6单片机B的PA10端口连接；

晶振电路F的电容C2一端接地、另一端与电容Y1的一端连接，电容C3的一端接 地、另一端与电容Y1的另一端连接，STM32F103RBT6单片机B的OSC_IN/PD0端口、 OSC_OUT/PD1端口分别与晶振电路F的电容Y1两端连接；

STM32F103RBT6单片机B的BOOT0端口与编程选择接口电路D的输出端连接；

STM32F103RBT6单片机B的NRST端口与复位电路E的输出端连接；

STM32F103RBT6单片机B的PB2/BOOT1端口与编程选择接口电路G的输入端连 接；

晶振电路H的电容C4一端接地、另一端与电容Y2的一端连接，电容C7的一端接 地、另一端与电容Y2的另一端连接，STM32F103RBT6单片机B的PC14-OSC32_IN端 口、PC15-OSC32_OUT端口分别与晶振电路H的电容Y2两端连接；

STM32F103RBT6单片机B的端口PB13与nRF24L01无线射频芯片的端口CE连接， STM32F103RBT6单片机B的端口PB14与nRF24L01无线射频芯片的端口CSN连接， STM32F103RBT6单片机B的端口PB15与nRF24L01无线射频芯片的端口SCK连接， STM32F103RBT6单片机B的端口PC0与nRF24L01无线射频芯片的端口MOSI连接， STM32F103RBT6单片机B的端口PC1与nRF24L01无线射频芯片的端口MISO连接， STM32F103RBT6单片机B的端口PC2与nRF24L01无线射频芯片的端口IRQ连接。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述心率识别设备还包 括外围电路J，所述外围电路J与nRF24L01无线射频芯片的相应端口连接，用于改变无 线信号发射功率。

其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：基于所述心率识别设备的 煤矿井下放炮人员识别方法，包括以下步骤：

步骤一、位于井上的矿井地面监控中心通过心率采集芯片采集放炮人员心率信息，并 存入矿井地面监控中心主计算机；

步骤二、执行放炮任务前，在井上通过矿井地面监控中心主计算机服务器下发放炮人 员心率信息给FB200LS矿用连锁发爆器，并设置放炮地点，使放炮地点和放炮人员唯一 性对应；

步骤三、在井下执行放炮任务时，放炮人员使用携带的心率识别设备获取人体的心电 数字信号并通过无线模块将信号发送给FB200LS矿用连锁发爆器，所述发爆器将接收的 心电数字信号与步骤二中下发给发爆器的人员心率信息进行对比，从而完成放炮人员的识 别。其它步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述的采 集放炮人员心率信息的具体过程为：在井上，矿井地面监控中心通过心率采集芯片上的两 个传感器，采集两个手指间的电压差，用以获取人体的心电信号，心电信号经高通滤波送 入芯片，然后经芯片内部放大、滤波、分析，提取心电信号特征计算处理后，输出心电数 字信号并通过串口送入单片机，单片机将输入的心电数字信号保存到数据存储模块，并通 过串口存入矿井地面监控中心主计算机服务器的数据库中。其它步骤与具体实施方式一至 三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三的具体过 程为：在井下，执行放炮任务时放炮人员开启心率识别设备，通过心率识别设备中采集片 上的两个传感器，采集两个手指间的电压差，用以获取人体的心电信号，心电信号经高通 滤波送入芯片，然后经芯片内部放大、滤波、分析，提取心电信号特征计算处理后，输出 心电数字信号并通过串口送入单片机，单片机对输入的心电数字信号进行保存，并通过心 率识别设备中的无线模块将心电数字信号发送给FB200LS矿用连锁发爆器，发爆器接收 心电数字信号后进行一次信息匹配，匹配通过后上传到矿井地面监控中心主计算机服务 器，矿井地面监控中心主计算机服务器根据接收到的信息，通过矿井地面监控中心主计算 机服务器的数据库，查找放炮地点和放炮人员，进行二次信息匹配。其它步骤与具体实施 方式一至四之一相同。

本发明实施例如下：

结合图1、图2和图3，煤矿井下联锁放炮管理系统包括井上管理系统和井下通讯系 统：

井上管理系统由智能爆破监控系统、爆破终端管理系统和爆破通信网络管理系统三个 子系统组成，其中：

智能爆破监控系统用于设置煤矿井下联锁放炮管理系统的通用信息，通用信息是指放 炮地点管理、放炮设备管理、爆破物品管理和放炮计划等，完成放炮前各项工作信息的管 理与维护，实现方便快捷地浏览实时放炮信息，对放炮的历史数据进行查询；

爆破终端管理系统主要对放炮过程中使用的发爆器硬件设备进行参数设置，参数设置 包括放炮时放炮地点的环境参数(如：瓦斯、一氧化氮、风速、电量等)是否需要检查、 语音提示是否打开、放炮地点设置和人员信息下发；

爆破通信网络管理系统实现通讯设备设置、通讯设备检测、数据采集、实时存储、放 炮命令管理，放炮相关参数管理；

井下通讯系统由FFBQ3矿用本安型发爆距离标识器、FB200LS矿用连锁发爆器、矿 用本安语音警示仪和心率识别设备组成

放炮工作程序工作顺序：

(1)发爆器设备上电，此时发爆器液晶显示屏显示开机界面。

(2)放炮区域距离自动检测，如果此区域是本发爆器放炮区域，就进行后续工作， 否则将不能进行后续工作。

(3)检测发爆器母线电阻，检测值在规定范围内，将进行后续工作，否则将返回发 爆器开始界面，重新检测。

(4)人员信息检测，通过心率识别系统，验证三人信息(班长、瓦斯员、放炮员)， 验证通过后，将进行后续工作，否则将返回发爆器开始界面，重新检测。

(5)检测放炮地点瓦斯、一氧化氮、风速、电量等参数是否超出范围，在规定范围 内，将进行后续工作，否则返回开始界面，重新检测。

(6)检测放炮地址危险区是否有人，无人将进行后续工作，否则停止放炮返回发爆 器开始界面，重新检测。

(7)重新检测发爆器母线电阻，在规定范围内，将进行后续工作，否则返回发爆器 开始界面，重新检测。

(8)充电和放炮，用专用钥匙将发爆器开关的位置拨到“充电”位置，进行充电。 当充电指示灯亮起时，说明充电完成，可以放炮。此时，等待爆破系统通信网 络管理发送放炮命令，接受到命令后，将放炮钥匙拨到“放炮”位置即可完成 一次放炮操作。

爆破终端管理主要对放炮过程中将使用的发爆器硬件设备进行参数设置，参数设置包 括(5)中的环境参数(如瓦斯、一氧化氮、风速、电量等)是否需要检查、语音提示是 否打开、放炮地点设置和人员信息下发。

实施放炮任务时，放炮管理人员需要下井前把三人(班长、瓦斯员和放炮员)心率信 息通过数据库下发到发爆器中，并设置发爆器一些参数包括(5)中的环境参数(如瓦斯、 一氧化氮、风速、电量等)是否需要检查、语音提示是否打开、放炮地点设置和人员信息 下发，实现放炮地点和放炮人员唯一性对应关系。

放炮人员携带发爆器到井下放炮地点，煤矿井下的FFBQ3矿用本案型发爆距离标识 器与FB200LS矿用连锁发爆器通过2.4GHz无线进行通讯，FFBQ3矿用本案型发爆距离 标识器收到FB200LS矿用连锁发爆器地址信息，FFBQ3矿用本案型发爆距离标识器把 FB200LS矿用连锁发爆器地址信息通过CAN线，传输给爆破通信网络管理系统，爆破通 信网络管理系统收到信息，判断发爆器放炮地点是否正确，放炮地点正确后，开始井上管 理系统和井下通讯系统实时通讯工作。

三人身份识别正确后，放炮终端语音系统提示其它检测。检测都通过后，等待爆破通 信网络管理系统的发爆命令。

由于煤矿安全隐患中放炮事故所占比重不断增加，造成人身伤亡和经济损失。煤矿联 锁放炮管理系统采用先进的计算机网络、嵌入式、数据库及自动化控制等技术，解决了管 理人员对一线放炮人员的远程监督和信息化的管理，解决了放炮现场情况的实时监控、放 炮监控终端的运动轨迹、实时区域分配。以及时发现存在的问题，进行针对性管理，实现 放炮过程的本质安全，防止放炮事故的发生。

煤矿联锁放炮管理系统中的本发明综合考虑人、设备、环境与管理等多方面的因素， 规范了放炮员放炮过程中的随意性和盲目性，明确了放炮过程中各自的责任，规范了放炮 行为，减少了违规放炮，杜绝了事故的发生。解决了井下放炮时时间控制、人员到位、一 炮三检，避免了放炮工作中人为操作出错的纰漏。提高了工作效率、规范了工作流程，使 煤矿放炮管理工作提高到一个新水平。实现了放炮现场井下人员及周边环境的安全。实现 了放炮规程标准化管理和放炮过程实时监控，实现了发爆器多项放炮安全技术管理，实现 了多人连锁和放炮信息的网络化管理。