實(shí)用案例：嵌入式采煤工作面安全集中監控系統

一、項目概述

1.1 引言

煤炭、石油等化石能源是我國能源供應的主體，特別是煤炭在保障我國能源安全中，起著(zhù)基礎性作用。在我國目前的能源結構中，煤炭仍占能源總量中的70%左右。 可見(jiàn)煤炭已成為支撐我國經(jīng)濟發(fā)展的中堅力量，并且這一現狀在短時(shí)間內不會(huì )有太大變化。

在我國最新制定的煤炭科技十二五發(fā)展規劃中，提出了“綠色開(kāi)采與生態(tài)礦山”的概念，這就要求提高煤礦生產(chǎn)的安全和采礦區周邊環(huán)境的保護。雖然國家和企業(yè)已經(jīng)為了改善生產(chǎn)條件作了很大努力，但這依舊是一個(gè)沒(méi)有完全解決的問(wèn)題。在我國煤炭生產(chǎn)中，不安全事故頻頻發(fā)生，對環(huán)境的破壞和因此導致的死亡事件也屢屢見(jiàn)諸報端。要解決這一現況，除了提高工人作業(yè)水平以外，必須要加大對礦井安全設備的投入。本此設計所選定的項目就是立足于實(shí)際，以促進(jìn)煤炭安全生產(chǎn)和環(huán)境保護為目標?？梢杂行У臏p少礦井事故的發(fā)生，最大限度保證井下人員的安全和采礦區周邊環(huán)境的和諧。

結合我們對煤炭嚴峻形勢的認識和本次大賽的主題，我們將選題方向煤礦安全生產(chǎn)集中監控領(lǐng)域。本次設計對構建和諧社會(huì )和可持續性發(fā)展社會(huì )將具有十分重要的意義。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

煤礦在我國的國民生產(chǎn)生活和經(jīng)濟發(fā)展中起著(zhù)舉足輕重的作用?，F在中國發(fā)電量的大部分來(lái)自于煤電，煤炭經(jīng)濟在我國GDP中占有很大比重，可以說(shuō)煤一朝一夕都在影響著(zhù)中國的每一個(gè)家庭的生活?？墒俏覀儾荒芎鲆暤氖?，在煤炭產(chǎn)業(yè)促進(jìn)我國經(jīng)濟發(fā)展和GDP增長(cháng)的同時(shí)，在煤炭生產(chǎn)中所產(chǎn)生的安全問(wèn)題和對環(huán)境的破壞問(wèn)題讓我們不得不去關(guān)注。

2005年3月9日,山西呂梁交城礦難,28人死亡

2006年2月1日晚上7時(shí)許,山西省晉城煤業(yè)集團所屬寺河煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故,造成23名礦工死亡,另有53人一氧化碳中毒。

2007年03月06日湖南邵陽(yáng)市邵東縣宏發(fā)煤礦在維修巷道時(shí)發(fā)生瓦斯爆炸,15人死亡。

2008年01月20日,山西臨汾市汾西縣煤礦發(fā)生炸藥爆炸,20人死亡。

2009年01月20日21時(shí)0分, 山西臨汾地區汾西縣永安鎮蔚家嶺村一非法私開(kāi)煤礦窩點(diǎn)發(fā)生瓦斯爆炸,造成20人遇難。

……

當然這只是列舉了一部分實(shí)例，這些驚心的實(shí)例時(shí)刻都在提醒我們煤炭安全生產(chǎn)的重要性。造成這一現象除了人為因素外，安全檢測設備的落后和不到位也是一個(gè)重要的原因。中國的許多煤礦企業(yè)在生產(chǎn)中，伴生著(zhù)嚴重的資源、環(huán)境、安全等問(wèn)題，如果這一問(wèn)題得不到解決將影響長(cháng)遠發(fā)展，這與可持續性發(fā)展的理論是背道而馳的。據調查，全國的煤炭企業(yè)除46%的高突礦井外，大部分已進(jìn)入深水平開(kāi)采，滲水、瓦斯、坍塌等已成為越來(lái)越大的安全隱患。增加新的高性能檢測設備成為解決煤礦安全問(wèn)題的關(guān)鍵，同時(shí)考慮到很多中小心型煤礦企業(yè)的在安全設施方面的投入能力，開(kāi)發(fā)出一套經(jīng)濟實(shí)惠，使用方便，安全高效的安全檢控設備成為當今中國大多數煤炭企業(yè)的迫切需求。

采煤工作面作為整個(gè)采煤作業(yè)現場(chǎng)的第一工作區，容易發(fā)生瓦斯爆炸、漏水和冒頂等事故，一旦發(fā)生礦難不但會(huì )直接影響到采煤工人的生命安全，更可能會(huì )對周邊環(huán)境造成嚴重的破壞。因此，采煤工作區作為事故地帶，是構成整個(gè)煤礦安全體系的最關(guān)鍵一環(huán)。如何保證采煤工作面的安全生產(chǎn)，一直是一個(gè)難以解決的嚴峻課題。

ATMEL公司的32位AVR嵌入式微處理器性能高、功耗低、價(jià)格適宜，特別是芯片內部集成了網(wǎng)絡(luò )接口，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )數據傳送和遠程控制實(shí)現的難度，它強大的數據處理能力為數字信號的處理提供了有力的支持，除此之外它還具有其它優(yōu)良的性能，成為完成本次設計的最佳選擇。本次設計擬采用基于A(yíng)VR 32 AT32UC3A單片機控制器的EVK1100評估系統和開(kāi)發(fā)系統為基礎開(kāi)發(fā)平臺，結合套件本身所提供的資源，通過(guò)擴展其它板卡實(shí)現設計中要求的全部功能。鑒于A(yíng)VR以上的優(yōu)點(diǎn)，結合目前的煤礦采煤工作面的安全監控存在的不足，設計一款基于32位嵌入式AVR微處理器的采煤工作面安全集中監控系統，提供了一種新型嵌入式的方案，以達到進(jìn)一步提高采煤工作面的安全性和可靠性。

考慮到作品的實(shí)用性，除實(shí)現對采煤工作面的監控以外，通過(guò)簡(jiǎn)單的修改(設計本身支持這種裁剪和功能擴成)，本次設計成果也可以很容易的轉換到其它安全監控領(lǐng)域，如其它采礦工作的安全監控、家居安全的監控、工廠(chǎng)生產(chǎn)車(chē)間安全生產(chǎn)和倉庫防盜的監控、道路安全運營(yíng)的監控等等。

山東科技大學(xué)原名山東煤礦學(xué)院，對煤炭的生產(chǎn)和研究都有很長(cháng)的歷史，在幾十年的發(fā)展中積累了豐富的經(jīng)驗，在煤炭研究領(lǐng)域建立了健全的體系。目前擁有國家級煤礦礦山災害實(shí)驗室，在煤炭安全上從科研到開(kāi)發(fā)，我校都走在了全國煤炭領(lǐng)域的前列。

同時(shí)我們嵌入式實(shí)驗2003年成立，積累了很多的有關(guān)嵌入式系統設計的經(jīng)驗，學(xué)校擁有眾多資深學(xué)者和教授，為中國煤炭事業(yè)和嵌入式的系統設計，發(fā)展培養了大量的人才。本次設計也得到有關(guān)老師的支持和鼓勵，同時(shí)通過(guò)向他們的請教，讓我們團隊成員對這一系統的設計有了更加深刻的認識。相信通過(guò)老師的指導和我們的努力我們一定能夠完成本次設計。