嵌入式采煤工作面安全集中監(jiān)控系統(tǒng)

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。 可見煤炭已成為支撐我國經濟發(fā)展的中堅力量，并且這一現(xiàn)狀在短時間內不會有太大變化。

在我國最新制定的煤炭科技十二五發(fā)展規(guī)劃中，提出了“綠色開采與生態(tài)礦山”的概念，這就要求提高煤礦生產的安全和采礦區(qū)周邊環(huán)境的保護。雖然國家和企業(yè)已經為了改善生產條件作了很大努力，但這依舊是一個沒有完全解決的問題。在我國煤炭生產中，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諸報端。要解決這一現(xiàn)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際，以促進煤炭安全生產和環(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(qū)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集中監(jiān)控領域。本次設計對構建和諧社會和可持續(xù)性發(fā)展社會將具有十分重要的意義。

1.2 項目背景/選題動機

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

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日湖南邵陽市邵東縣宏發(fā)煤礦在維修巷道時發(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0分, 山西臨汾地區(qū)汾西縣永安鎮(zhèn)蔚家?guī)X村一非法私開煤礦窩點發(fā)生瓦斯爆炸,造成20人遇難。

……

當然這只是列舉了一部分實例，這些驚心的實例時刻都在提醒我們煤炭安全生產的重要性。造成這一現(xiàn)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重要的原因。中國的許多煤礦企業(yè)在生產中，伴生著嚴重的資源、環(huán)境、安全等問題，如果這一問題得不到解決將影響長遠發(fā)展，這與可持續(xù)性發(fā)展的理論是背道而馳的。據(jù)調查，全國的煤炭企業(yè)除46%的高突礦井外，大部分已進入深水平開采，滲水、瓦斯、坍塌等已成為越來越大的安全隱患。增加新的高性能檢測設備成為解決煤礦安全問題的關鍵，同時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，開發(fā)出一套經濟實惠，使用方便，安全高效的安全檢控設備成為當今中國大多數(shù)煤炭企業(yè)的迫切需求。

采煤工作面作為整個采煤作業(yè)現(xiàn)場的第一工作區(qū)，容易發(fā)生瓦斯爆炸、漏水和冒頂?shù)仁鹿?，一旦發(fā)生礦難不但會直接影響到采煤工人的生命安全，更可能會對周邊環(huán)境造成嚴重的破壞。因此，采煤工作區(qū)作為事故地帶，是構成整個煤礦安全體系的最關鍵一環(huán)。如何保證采煤工作面的安全生產，一直是一個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、價格適宜，特別是芯片內部集成了網絡接口，簡化了網絡數(shù)據(jù)傳送和遠程控制實現(xiàn)的難度，它強大的數(shù)據(jù)處理能力為數(shù)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AVR 32 AT32UC3A單片機控制器的EVK1100評估系統(tǒng)和開發(fā)系統(tǒng)為基礎開發(fā)平臺，結合套件本身所提供的資源，通過擴展其它板卡實現(xiàn)設計中要求的全部功能。鑒于AVR以上的優(yōu)點，結合目前的煤礦采煤工作面的安全監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)，提供了一種新型嵌入式的方案，以達到進一步提高采煤工作面的安全性和可靠性。

考慮到作品的實用性，除實現(xiàn)對采煤工作面的監(jiān)控以外，通過簡單的修改(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(jiān)控領域，如其它采礦工作的安全監(jiān)控、家居安全的監(jiān)控、工廠生產車間安全生產和倉庫防盜的監(jiān)控、道路安全運營的監(jiān)控等等。

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

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

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，那里的情況瞬時萬變，是整個井下安全體系中最關鍵的一環(huán)。本次設計將重點關注如何確保采煤工作面安全生產這一嚴峻問題。

保證生產過程安全所采取的措施中，除了增強工人自身安全意識外，另一個重要的因素就是完善基于各種監(jiān)控設備的預警系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。在影響采煤工作面安全的各種可檢測因素中，瓦斯?jié)舛?、頂板壓力、水位、粉塵濃度成為關鍵，同時為了便于地面監(jiān)控中心實時了解井下的工作場景，實時的現(xiàn)場畫面監(jiān)控也是必不不可少的。