嵌入式采煤工作面安全集中監控系統

綜上因素，本次設計要求能夠及時(shí)的，把采煤工作面頂板壓力、水位、瓦斯濃度、粉塵濃度等物理量數據進(jìn)行采集，并通過(guò)嵌入式32位AVR微處理器處理后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )及時(shí)上傳到位于地面上的監控中心，便于安全監察人員和生產(chǎn)調度部門(mén)觀(guān)察和抉擇。在緊急重大的情況下及時(shí)采取相關(guān)措施將危害降到最低。同時(shí)，也在現場(chǎng)把瓦斯濃度、頂板壓力、水位、粉塵濃實(shí)際的檢測的數據，進(jìn)行必要的判斷和處理，以實(shí)現在一定的范圍內對以上參數進(jìn)行自適應調節和自動(dòng)控制，以達到提高現場(chǎng)工作效率和安全系數的目的。

2.2 性能要求

考慮到采煤工作面所在的特殊環(huán)境，要求所設計的產(chǎn)品能夠在這種特殊的環(huán)境下正常的運行。例如設計的低功耗性、防爆性、堅固性、和防潮絕緣性以及斷電保護等，而根據相關(guān)規定，凡是要應用到煤礦井下的電氣設備，其防爆性能要求較高，要么是保安型的，要么是本安型的。而要想得到以上資質(zhì)，必須到相關(guān)煤礦防爆監測站進(jìn)行有關(guān)的檢測，檢測通過(guò)后這些設備才能被用于井下作業(yè)。

針對本次設計大賽，由于受條件的限制，有關(guān)電氣設備的防爆等無(wú)法實(shí)現和模擬，只能從電氣設備的基本功能，結合嵌入式AVR微處理器的性能進(jìn)行系統設計。

其它性能要求如下：

1. 實(shí)時(shí)的采集采煤工作面的現場(chǎng)工作畫(huà)面并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )向地面監控中心傳輸。為了達到實(shí)時(shí)的目的，采集圖像的速率需最低為5幅/秒 ，同時(shí)為達到圖像能正常傳輸這一目的，對采集的圖像需要采取合適的壓縮算法。

2. 頂板壓力、水位、瓦斯濃度、粉塵濃度等物理量數據采集的采樣頻率分別是 10秒，50秒，30秒，30秒。同時(shí)為了使采集的數據平滑，需要對采集的數據選擇合適的數字濾波算法進(jìn)行處理。

3. 對采煤工作面頂板壓力，瓦斯，煤塵，水位等的控制，按照超過(guò)規定參數上限80%時(shí)，才采取自適應調節和自動(dòng)控制。通過(guò)自行處理調整控制，使其始終保持在規定參數上限80%以下。當超過(guò)這些參數安全上限時(shí)開(kāi)始報警并及時(shí)將相關(guān)信息上傳地面監控中心。

4. 為更好的實(shí)現對采煤工作面頂板壓力，瓦斯，煤塵，水位等規定參數的自動(dòng)控制，采取PID數字控制算法。

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

此次設計的系統功能示意圖如下圖3.1所示：

本次設計是以一個(gè)基于A(yíng)VR32 AT32UC3A單片機控制器的EVK1100評估套件和開(kāi)發(fā)系統為核心，再將各個(gè)功能模塊連接在一起，構成的一個(gè)完整系統。

首先由各種傳感器采集信號，包括瓦斯濃度傳感器、粉塵濃度傳感器、壓力傳感器、井下水位傳感器和視頻采集模塊等采集到的信號，先進(jìn)行濾波、放大等處理，提取出其中有價(jià)值的信號，然后經(jīng)過(guò)A/D轉換以后成為便于處理的數字信號。為了提高信號的有效性和平滑度需對其進(jìn)行數字濾波。而圖像信號經(jīng)過(guò)JPEG壓縮算法處理以后可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )，傳遞給用于監控的上位機。同時(shí)為了實(shí)現自動(dòng)控制，對傳感器傳來(lái)的信號進(jìn)行PID算法處理。當檢測到參數超出規定值以后，產(chǎn)生報警信號，并將這一信號傳寄給報警裝置和地面監控中心，同時(shí)發(fā)出控制信號，這一信號經(jīng)過(guò)D/A轉換和放大處理以后對相關(guān)電機等進(jìn)行控制，努力使相關(guān)參數恢復到正常范圍以?xún)取?p>

通過(guò)在系統中增加網(wǎng)絡(luò )模塊，可以實(shí)現數據在網(wǎng)絡(luò )中的有效傳輸，同時(shí)實(shí)現讓任何接入到網(wǎng)絡(luò )中的主機設備通過(guò)驗證機制以后都可以訪(fǎng)問(wèn)到下位機傳來(lái)的數據。為了統籌管理各個(gè)硬件模塊的工作和充分利用系統的資源，在下位機中嵌入小型的uC/OS-II操作系統，同時(shí)為各個(gè)硬件模塊開(kāi)發(fā)相應的驅動(dòng)程序，以實(shí)現應用層軟件對底層設備的調用。

本次設計所涉及到的主要技術(shù)包括：①各信號的周期型采集實(shí)現；②模擬信號的濾波等處理；③數字濾波算法的實(shí)現；④uC/OS-II操作系統的移植；⑤相關(guān)驅動(dòng)模塊的開(kāi)發(fā)；⑥lwip網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的嵌入；⑦自動(dòng)閉環(huán)控制(PID算法)的實(shí)現；⑧JPEG圖像壓縮算法的實(shí)現。

3.2 系統硬件架構與資源配置

3.2.1系統硬件組成分析

系統的硬件總體結構框圖如圖3.2所示：

根據本次大賽的要求，考慮到本次設計對功能的要求以及其使用環(huán)境的特殊性，本次設計選用ATMEL公司的AVR 32 AT32UC3A芯片。這款芯片的指令集為緊湊型單周期RISC指令集，并且集成DSP指令集，具有很強的數據運算處理能力，并兼具高性能、低功耗等特點(diǎn)。完全能夠滿(mǎn)足本次設計所要求的性能穩定、功耗低等要求。為了充分利用系統的資源和發(fā)掘該款芯片的潛能，實(shí)現多任務(wù)的控制，在其中嵌入了實(shí)時(shí)性強可靠性高的操作系統uC/OS-II 。

在硬件的整體設計方面，主要分為四個(gè)部分，以各種傳感器和畫(huà)面采集器為中心的數據采集模塊，以濾波整形電路為主的模擬信號處理模塊，以MCU為中心的數字信號(數據)處理模塊，和以地面上位機為中心的數據顯示存儲和處理模塊。其中數據采集模塊根據信號的不同處理方式又可以分為兩類(lèi)，以各種傳感器為中心的信號采集模塊和以攝像頭為中心的現場(chǎng)畫(huà)面采集模塊。

給系統上電以后，首先運行系統自檢程序，確認各個(gè)功能模塊正常以后，系統進(jìn)入正常運行模式。通過(guò)定時(shí)裝置和給定的初始參數，系統依次選通各個(gè)信號采集模塊。各個(gè)傳感器和畫(huà)面采集器將采集到得模擬信號經(jīng)過(guò)處理以后進(jìn)行A/D轉換，然后提交給MCU。MCU根據預設計的程序處理各種信號，然后將處理好的信號傳送到地面信息監控中心和系統本身自帶的控制模塊。

這里以瓦斯控制為例，采煤工作面的上隅角往往是瓦斯濃度最高的地方，可以通過(guò)在上隅角放置瓦斯濃度傳感器，實(shí)時(shí)的檢測那里的瓦斯濃度，從而保證工作環(huán)境的正常和采煤區周邊環(huán)境的安全。系統采集到經(jīng)過(guò)模擬信號處理和A/D轉換以后的數據，經(jīng)過(guò)處理以后，將結果發(fā)往地面控制中心和系統自帶的控制模塊。系統自帶控制模塊根據需要適時(shí)自適用的控制通風(fēng)機的轉速，將瓦斯的濃度控制在一個(gè)合理的范圍，同時(shí)系統本身也可以接受地面控制中心發(fā)來(lái)的控制信息，對通風(fēng)機的轉速進(jìn)行控制，從而實(shí)現系統的監和控。