實(shí)用案例：嵌入式采煤工作面安全集中監(jiān)控系統(tǒng)

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(xiàn)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(shè)計(jì)將重點(diǎn)關(guān)注如何確保采煤工作面安全生產(chǎn)這一嚴(yán)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(qiáng)工人自身安全意識(shí)外，另一個(gè)重要的因素就是完善基于各種監(jiān)控設(shè)備的預(yù)警系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。在影響采煤工作面安全的各種可檢測(cè)因素中，瓦斯?jié)舛取㈨敯鍓毫?、水位、粉塵濃度成為關(guān)鍵，同時(shí)為了便于地面監(jiān)控中心實(shí)時(shí)了解井下的工作場(chǎng)景，實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)畫面監(jiān)控也是必不不可少的。

綜上因素，本次設(shè)計(jì)要求能夠及時(shí)的，把采煤工作面頂板壓力、水位、瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度等物理量數(shù)據(jù)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(jiān)控中心，便于安全監(jiān)察人員和生產(chǎn)調(diào)度部門觀察和抉擇。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(xiàn)場(chǎng)把瓦斯?jié)舛取㈨敯鍓毫?、水位、粉塵濃實(shí)際的檢測(cè)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的判斷和處理，以實(shí)現(xiàn)在一定的范圍內(nèi)對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制，以達(dá)到提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率和安全系數(shù)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(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠在這種特殊的環(huán)境下正常的運(yùn)行。例如設(shè)計(jì)的低功耗性、防爆性、堅(jiān)固性、和防潮絕緣性以及斷電保護(hù)等，而根據(jù)相關(guān)規(guī)定，凡是要應(yīng)用到煤礦井下的電氣設(shè)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(jiān)測(cè)站進(jìn)行有關(guān)的檢測(cè)，檢測(cè)通過(guò)后這些設(shè)備才能被用于井下作業(yè)。

針對(duì)本次設(shè)計(jì)大賽，由于受條件的限制，有關(guān)電氣設(shè)備的防爆等無(wú)法實(shí)現(xiàn)和模擬，只能從電氣設(shè)備的基本功能，結(jié)合嵌入式AVR微處理器的性能進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

其它性能要求如下：

1. 實(shí)時(shí)的采集采煤工作面的現(xiàn)場(chǎng)工作畫面并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向地面監(jiān)控中心傳輸。為了達(dá)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(dá)到圖像能正常傳輸這一目的，對(duì)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?jié)舛?、粉塵濃度等物理量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)平滑，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)選擇合適的數(shù)字濾波算法進(jìn)行處理。

3. 對(duì)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(guī)定參數(shù)上限80%時(shí)，才采取自適應(yīng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制。通過(guò)自行處理調(diào)整控制，使其始終保持在規(guī)定參數(shù)上限80%以下。當(dāng)超過(guò)這些參數(shù)安全上限時(shí)開(kāi)始報(bào)警并及時(shí)將相關(guān)信息上傳地面監(jiān)控中心。

4. 為更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤工作面頂板壓力，瓦斯，煤塵，水位等規(guī)定參數(shù)的自動(dòng)控制，采取PID數(shù)字控制算法。