实用案例：嵌入式采煤工作面安全集中监控系统

煤炭领域的前列。

同时我们嵌入式实验2003年成立，积累了很多的有关嵌入式系统设计的经验，学校拥有众多资深学者和教授，为中国煤炭事业和嵌入式的系统设计，发展培养了大量的人才。本次设计也得到有关老师的支持和鼓励，同时通过向他们的请教，让我们团队成员对这一系统的设计有了更加深刻的认识。相信通过老师的指导和我们的努力我们一定能够完成本次设计。

二、需求分析

2.1 功能要求

采煤工作面作为采煤工作的第一现场，那里的情况瞬时万变，是整个井下安全体系中最关键的一环。本次设计将重点关注如何确保采煤工作面安全生产这一严峻问题。

保证生产过程安全所采取的措施中，除了增强工人自身安全意识外，另一个重要的因素就是完善基于各种监控设备的预警系统和控制系统。在影响采煤工作面安全的各种可检测因素中，瓦斯浓度、顶板压力、水位、粉尘浓度成为关键，同时为了便于地面监控中心实时了解井下的工作场景，实时的现场画面监控也是必不不可少的。

综上因素，本次设计要求能够及时的，把采煤工作面顶板压力、水位、瓦斯浓度、粉尘浓度等物理量数据进行采集，并通过嵌入式32位AVR微处理器处理后通过网络及时上传到位于地面上的监控中心，便于安全监察人员和生产调度部门观察和抉择。在紧急重大的情况下及时采取相关措施将危害降到最低。同时，也在现场把瓦斯浓度、顶板压力、水位、粉尘浓实际的检测的数据，进行必要的判断和处理，以实现在一定的范围内对以上参数进行自适应调节和自动控制，以达到提高现场工作效率和安全系数的目的。

2.2 性能要求

考虑到采煤工作面所在的特殊环境，要求所设计的产品能够在这种特殊的环境下正常的运行。例如设计的低功耗性、防爆性、坚固性、和防潮绝缘性以及断电保护等，而根据相关规定，凡是要应用到煤矿井下的电气设备，其防爆性能要求较高，要么是保安型的，要么是本安型的。而要想得到以上资质，必须到相关煤矿防爆监测站进行有关的检测，检测通过后这些设备才能被用于井下作业。

针对本次设计大赛，由于受条件的限制，有关电气设备的防爆等无法实现和模拟，只能从电气设备的基本功能，结合嵌入式AVR微处理器的性能进行系统设计。

其它性能要求如下：

实时的采集采煤工作面的现场工作画面并通过网络向地面监控中心传输。为了达到实时的目的，采集图像的速率需最低为5幅/秒 ，同时为达到图像能正常传输这一目的，对采集的图像需要采取合适的压缩算法。

顶板压力、水位、瓦斯浓度、粉尘浓度等物理量数据采集的采样频率分别是 10秒，50秒，30秒，30秒。同时为了使采集的数据平滑，需要对采集的数据选择合适的数字滤波算法进行处理。

对采煤工作面顶板压力，瓦斯，煤尘，水位等的控制，按照超过规定参数上限80%时，才采取自适应调节和自动控制。通过自行处理调整控制，使其始终保持在规定参数上限80%以下。当超过这些参数安全上限时开始报警并及时将相关信息上传地面监控中心。

为更好的实现对采煤工作面顶板压力，瓦斯，煤尘，水位等规定参数的自动控制，采取PID数字控制算法。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

此次设计的系统功能示意图如下图3.1所示：

本次设计是以一个基于AVR32 AT32UC3A单片机控制器的EVK1100评估套件和开发系统为核心，再将各个功能模块连接在一起，构成的一个完整系统。

首先由各种传感器采集信号，包括瓦斯浓度传感器、粉尘浓度传感器、压力传感器、井下水位传感器和视频采集模块等采集到的信号，先进行滤波、放大等处理，提取出其中有价值的信号，然后经过A/D转换以后成为便于处理的数字信号。为了提高信号的有效性和平滑度需对其进行数字滤波。而图像信号经过JPEG压缩算法处理以后可以通过网络，传递给用于监控的上位机。同时为了实现自动控制，对传感器传来的信号进行PID算法处理。当检测到参数超出规定值以后，产生报警信号，并将这一信号传寄给报警装置和地面监控中心，同时发出控制信号，这一信号经过D/A转换和放大处理以后对相关电机等进行控制，努力使相关参数恢复到正常范围以内。

通过在系统中增加网络模块，可以实现数据在网络中的有效传输，同时实现让任何接入到网络中的主机设备通过验证机制以后都可以访问到下位机传来的数据。为了统筹管理各个硬件模块的工作和充分利用系统的资源，在下位机中嵌入小型的uC/OS-II操作系统，同时为各个硬件模块开发相应的驱动程序，以实现应用层软件对底层设备的调用。

本次设计所涉及到的