实用案例：嵌入式采煤工作面安全集中监控系统

对执行机构形成有力的驱动需要对其进行放大，因此添加了功率放大模块。这里执行机构主要指电机等电气设备，通过对其控制将被控对象（瓦斯）等控制在一个合理的范围，同时起到整体减少功耗的目的。

针对PID控制模块的程序实现，如图3.4.2.1-3所示。在本模块程序运行之前先要检测是否有来自于上位机的控制信号，若有，在跳过PID运算模块直接对被控量进行控制，否则，通过采集到得相关数据，自动的计算出用于PID运算的相关参数，然后利用这些参数进行PID运算，并产生信号量对被控端进行控制，努力使环境变量维持在正常水平。例如瓦斯浓度过高则加大通机转速，如瓦斯浓度正常维持通风机速率不变，若瓦斯浓度很低可以适度的降低通风机的转速以减小功耗。此外通过检测e(t)的大小判断瓦斯浓度是否超过正常值，若超过则产生报警信号。

3.4.2.2 图像信号处理

为了更快更好的网络中的传输图像，需要对采集到的信号进行压缩处理，压缩后的图像在保持不失真的情况下，可以降低网络流量，加快传输速度。

在综合考虑对采集到的图像信号进行处理可以选用的各种算法后，我们最后决定选用JPEG图像压缩算法。通过JPEG图片压缩算法能够将所采集到得图像压缩成可以满足需求的数据格式，而且考虑到JPEG格式是使用最广泛的图片格式，它采用的是特殊的压缩算法，将不易被人眼察觉的图像颜色删除，从而达到较大的压缩比（可达到2:1甚至40:1），有"身材娇小，容貌姣好"的美称，同时其算法在本次有限资源的开发平台中可以得以实现，因此本次设计选用JPEG压缩算法。

如图3.4.2.2-1所示，其所表达的是JPEG编码的整个工作方式的原理图，其流程主要为①色彩空间转换及采样，②正向离散余弦变化(FDCT), ③量化(Quantization)，④直流系数(dc)的差分编码、直流系数(ac)的zig-zag扫描及行程编码，⑤熵编码(Entropy Coding)。

如图3.4.2.2-2所示，为图像处理模块的整体流程图。定时周期到达后，系统每次调用本程序模块运行时都要先查看是否有来自上位机的控制云台转动的消息。如有则根据其参数将摄像头转动到合适的角度，然后再进行现场画面的采集。系统每隔一段时间就采集一次经模拟信号处理单元处理以后再经A/D模块转换后的图片数据。然后将相关数据传寄到图片压缩模块，实现对图像数据的编码处理。这样使得图像的数据更小、更容易在信道上传播、也方便对图像的保存和查看。经压缩编码处理后的图像数据通过网络传输模块送至上位机，上位机通过相应的JPEG解码程序就可以实现对压缩图片的正常显示，并将相关数据进行存储以备以后查询。整个JPEG图像压缩算法的具体实现流程参见图3.4.2.2-3。

3.4.3上位机主要功能模块的软件实现

在上位机的各功能模块中，主要的功能模块就是对数据的分析和显示。其程序流程框图如图3.4.3所示：

程序正常运行以后，在平时的工作模式下(大多数时间内)系统仅是接收来自下位机的数据，然后将数据存储到数据库中并在屏幕上显示出来便于地面监控中心工作人员的查看。同时也可以调用数据库中的数据进行分析，并将结果在屏幕上显示出来。

如果下位机传来的是报警信号，则系统除了存储和显示相关信息外，还会启动地面紧急报警装置，提醒监控中心的人员井下发生紧急状况，可以让相关人员及时采取措施，将可能造成的危害降到最小。

当程序检测到有控制信号产生以后，立即通过网络给下位机发送强制控制信号，指导下位机完成控制动作。实现远程监控的作用。

3.5 系统预计实现结果

根据前面得分析，本次设计能够成功的实现预定的功能，且满足相关的性能要求。最终所完成的作品能够及时的对瓦斯浓度、顶板压力、粉尘浓度、水位和现场画面等信息进行采集，并且经过相应的针对各种信息的成型模块处理以后，将结果实时传输到位于地面的监控中心。而且根据某些特殊需求，其它连接在网络上的通过验证的主机也可以获得这些信息。当检测到得信号出现异常时，例如超出某个根据实际情况预设的范围后，系统本身除自我调控以外还能够及时的发出报警信息，提醒井下工作人员立即撤离，并由监控中心的工作人员及时做出部署，尽量将损失尽量降低到最低。

上位机程序的运行预期界面如下图所示：

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