實(shí)用案例：嵌入式采煤工作面安全集中監控系統

二、需求分析

2.1 功能要求

采煤工作面作為采煤工作的第一現場(chǎng)，那里的情況瞬時(shí)萬(wàn)變，是整個(gè)井下安全體系中最關(guān)鍵的一環(huán)。本次設計將重點(diǎn)關(guān)注如何確保采煤工作面安全生產(chǎn)這一嚴峻問(wèn)題。

保證生產(chǎn)過(guò)程安全所采取的措施中，除了增強工人自身安全意識外，另一個(gè)重要的因素就是完善基于各種監控設備的預警系統和控制系統。在影響采煤工作面安全的各種可檢測因素中，瓦斯濃度、頂板壓力、水位、粉塵濃度成為關(guān)鍵，同時(shí)為了便于地面監控中心實(shí)時(shí)了解井下的工作場(chǎng)景，實(shí)時(shí)的現場(chǎng)畫(huà)面監控也是必不不可少的。

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。