GIS煤礦安全實(shí)時(shí)監測系統設計

　　由于煤礦生產(chǎn)所具有的特殊作業(yè)環(huán)境，致使生產(chǎn)過(guò)程中潛伏著(zhù)比一般行業(yè)更大的危險性和不安全因素。隨著(zhù)煤炭開(kāi)采量的不斷增加，安全問(wèn)題變得日益嚴峻，時(shí)常有各種特大事故見(jiàn)諸于媒體。這一切都警示了煤礦安全生產(chǎn)的嚴峻形勢和提高煤礦安全生產(chǎn)的必要性和緊迫性。在計算機、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，應用以GIS為核心的監控系統已成為煤礦安全實(shí)時(shí)監測的一種重要手段。GIS煤礦安全實(shí)時(shí)監測系統可以將傳感器測得的瓦斯濃度、風(fēng)量、設備狀態(tài)等多種數據自動(dòng)地在電子地圖中顯示出來(lái)，結合井下人員定位系統還可以將井下作業(yè)人員的位置等也顯示在電子地圖上。系統數據傳輸以局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等計算機網(wǎng)絡(luò )為載體。在計算機技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)迅速發(fā)展的今天，把各種監測數據信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)傳到監控中心和定時(shí)傳給責任人，使相關(guān)責任人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能對煤礦安全情況了如指掌，將對煤礦安全生產(chǎn)管理有很大的促進(jìn)作用。同時(shí)，對于地處偏遠的礦山，在計算機網(wǎng)絡(luò )資源有限的情況下，采用移動(dòng)通信無(wú)線(xiàn)傳輸也很有必要和實(shí)際。

　　2.系統的組成及工作原理

　　2.1系統組成

　　基于A(yíng)RM的GIS煤礦安全實(shí)時(shí)監測系統主要包括三個(gè)部分：礦井端、GSM通信網(wǎng)絡(luò )、GIS監控中心。

　　礦井端主要包括GPS模塊、GSM模塊和ARM控制模塊。GPS模塊和GSM模塊實(shí)現定位、無(wú)線(xiàn)傳輸;ARM控制模塊實(shí)現數據采集和數據處理，是礦井端的主模塊。它是工作人員隨身攜帶的ARM嵌入式設備，這個(gè)設備可以是幾個(gè)人共用，在下井工作之前只要輸入指紋驗證與其相關(guān)的個(gè)人信息，GIS中心數據庫中即可以準確記錄下井工作人員。作為數據采集、處理控制模塊，核心功能是不斷的獲取井下工作人員的位置信息以及瓦斯濃度、風(fēng)速等參數值，并把這些信息通過(guò)GSM通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到GIS監控中心，同時(shí)能夠隨時(shí)接收來(lái)自監控中心的調度命令。

　　GSM通信網(wǎng)絡(luò )用來(lái)完成礦井端與GIS監控調度中心之間的信息傳輸，采用現存的GSM移動(dòng)信息系統的SMS短消息業(yè)務(wù)。

　　GIS監控中心是整個(gè)系統的核心，是基于GIS智能化監控管理中心，能夠隨時(shí)顯示井下人員的位置、瓦斯濃度或設備狀態(tài)等信息，并根據數據信息對相應的設備做出控制（人為或自動(dòng)）。

　　2.2系統工作原理

　　礦井端首先實(shí)時(shí)采集井下工作人員的動(dòng)態(tài)位置（經(jīng)度、緯度、高度）、時(shí)間、狀態(tài)，以及瓦斯濃度、風(fēng)速、溫度等環(huán)境信息，然后由數據處理模塊和控制模塊進(jìn)行數據處理后，通過(guò)GSM模塊將這些信息實(shí)時(shí)的通過(guò)GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )傳至GIS監控中心，在具有強大地理信息處理、查詢(xún)功能的電子地圖上進(jìn)行工作人員、以及所在位置的溫度、風(fēng)速、壓力和瓦斯濃度、一氧化碳的濃度等各種參數的準確定位和顯示，實(shí)現對這些參數的監控、查詢(xún)，當某一參數超過(guò)確定的安全值時(shí)即進(jìn)行報警，監控中心則通過(guò)GPS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )向礦井發(fā)送各種監控、調度信號，消除各種隱患，確保煤礦安全生產(chǎn)。

　　3.礦井端硬件的設計

　　3.1 GPS模塊

　　GPS模塊主要用于定位，通過(guò)接收GPS衛星信號，計算出所要定位人員所在的位置。GPS模塊由變頻器、信號通道、ARM芯片組成。GPS模塊通過(guò)串行口向主控制器發(fā)送定位人員坐標;GPS模塊需要配備專(zhuān)門(mén)的GPS天線(xiàn)接收GPS衛星信號。一般需要接收三顆以上的GPS衛星信號才能進(jìn)行準確的定位。為了方便，GPS模塊設計安裝在井下人員的安全帽上。

　　考慮到大多數煤礦的實(shí)際情況，GPS模塊采用GARMIN的GPS25LP。

　　3.2 GSM模塊

　　井下人員與監控中心之間的通信是通過(guò)GSM模塊來(lái)實(shí)現的，在煤礦實(shí)時(shí)監測系統中采用GSM移動(dòng)通信系統的短消息業(yè)務(wù)進(jìn)行通信，短消息業(yè)務(wù)屬于GSM 數字移動(dòng)通信系統電信業(yè)務(wù)，它具有隨時(shí)在線(xiàn)、不需要撥號、價(jià)格便宜、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，特別適合于需頻繁傳送小流量數據的應用，本模塊設計采用 SIEMENS的TC35i無(wú)線(xiàn)GSM模塊。

　　3.3 ARM控制模塊

　　ARM控制模塊是礦井端的核心控制部件，它是一個(gè)基于A(yíng)RM處理器的嵌入式系統，它的主要功能是進(jìn)行數據處理和控制礦井端的各組成部分按照通信協(xié)議的要求，執行相應的操作。該系統包括CPU存儲器、I/O接口以及各種控制邏輯電路等。模塊設計首要的工作是對嵌入式處理器進(jìn)行選擇。在一個(gè)系統中使用什么樣的嵌入式處理器內核主要取決于應用的領(lǐng)域、用戶(hù)的需求、成本、開(kāi)發(fā)的難易程度等因素。確定了使用哪種嵌入式處理器內核以后，接下來(lái)就是結合實(shí)際情況，考慮系統外圍設備的需求情況，選擇一款合適的處理器。結合目前煤煤礦實(shí)際情況，選取了AT91R40008微處理器。該處理器是基于處理器核16/32位微處理器大家族中的一個(gè)分支，采用高性能的32位結構，具有高密度的16位指令集和低功耗的特點(diǎn)，系列將處理器內核與片內高速存儲器和多項外圍功能結合在一片微處理器上，為大量的計算機嵌入式控制應用提供了靈活的低成本的解決方案。

　　確定了各組成模塊后，接下來(lái)將各個(gè)模塊、設備與ARM嵌入式系統開(kāi)發(fā)板使用相應的通信電纜連接起來(lái)，根據實(shí)際情況，再加上少量的外圍器件和電源模塊就可以構成硬件平臺進(jìn)行礦井端的系統集成。各模塊間的關(guān)系如圖1所示。

　　4.礦井端的軟件設計

　　在礦井端中，位置信息的獲取、短消息的收發(fā)、內部數據的處理以及外圍控制設備的驅動(dòng)都是在A(yíng)RM芯片的統一控制下完成的，這就需要對嵌入式系統進(jìn)行必要的編程，本系統基于μClinux操作系統，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。4.1 μClinux開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立

　　為了實(shí)現基于μClinux的應用系統的開(kāi)發(fā)，建立或擁有一個(gè)完備的μClinux開(kāi)發(fā)環(huán)境是十分必要的?；讦藽linux操作系統的應用開(kāi)發(fā)環(huán)境一般是由目標系統硬件開(kāi)發(fā)板和宿主PC機所構成。目標硬件開(kāi)發(fā)板用于運行操作系統和系統應用軟件，而目標板所用到的操作系統的內核編譯、應用程序的開(kāi)發(fā)和調試則需要通過(guò)宿主PC機來(lái)完成。雙方之間一般通過(guò)串口，并口或以太網(wǎng)接口建立連接關(guān)系。

　　4.2 系統軟件流程

　　礦井端由AT91R40008開(kāi)發(fā)板、TC35i， GPS15 OEM板組成，AT91R40008開(kāi)發(fā)板帶有兩個(gè)串口，其中一個(gè)串口與GPS接收模塊連接，接收來(lái)自衛星的位置信息，另一個(gè)串口與TC35i連接，將接收到的定位數據打包成短消息格式通過(guò)現有通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)送出去，實(shí)現人員定位和監控管理。整個(gè)系統的工作流程大致如下：系統加電進(jìn)行復位后，自檢并初始化。 GPS模塊首次開(kāi)機后會(huì )自動(dòng)搜索星歷歷書(shū)等信息，接收到定位信息后，將我們所需要的經(jīng)緯度等位置信息進(jìn)行編解碼處理，打包成短消息的格式，通過(guò)TC35i 模塊發(fā)往用戶(hù)終端或總機，實(shí)現全球范圍內的定位和監控管理。整個(gè)系統流程圖如圖2所示：

　　圖2　系統流程圖

　　5.結束語(yǔ)

　　基于A(yíng)RM嵌入式技術(shù)的GIS煤礦安全實(shí)時(shí)監測系統，主要是利用ARM的強大功能，結合GRP、GSM技術(shù)實(shí)現了礦井端的煤礦安全實(shí)時(shí)監測，相對于傳統的采用8位單片機作為主控芯片的礦井端，其復雜監控的功能更強，系統更靈活，適用性更好，同時(shí)具有更大可擴展性，對加強煤礦安全生產(chǎn)管理將具有一定的推動(dòng)作用，社會(huì )效益和經(jīng)濟效益良好。