實用案例：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，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(chǎn)這一嚴峻問題。

保證生產(chǎn)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)舛取㈨敯鍓毫?、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。

綜上因素，本次設計要求能夠及時的，把采煤工作面頂板壓力、水位、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度等物理量數(shù)據(jù)進行采集，并通過嵌入式32位AVR微處理器處理后通過網(wǎng)絡及時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)調度部門觀察和抉擇。在緊急重大的情況下及時采取相關措施將危害降到最低。同時，也在現(xiàn)場把瓦斯?jié)舛?、頂板壓力、水位、粉塵濃實際的檢測的數(shù)據(jù)，進行必要的判斷和處理，以實現(xiàn)在一定的范圍內對以上參數(shù)進行自適應調節(jié)和自動控制，以達到提高現(xiàn)場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(jù)相關規(guī)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，必須到相關煤礦防爆監(jiān)測站進行有關的檢測，檢測通過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，有關電氣設備的防爆等無法實現(xiàn)和模擬，只能從電氣設備的基本功能，結合嵌入式AVR微處理器的性能進行系統(tǒng)設計。

其它性能要求如下：

1. 實時的采集采煤工作面的現(xiàn)場工作畫面并通過網(wǎng)絡向地面監(jiān)控中心傳輸。為了達到實時的目的，采集圖像的速率需最低為5幅/秒 ，同時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?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。同時為了使采集的數(shù)據(jù)平滑，需要對采集的數(shù)據(jù)選擇合適的數(shù)字濾波算法進行處理。

3. 對采煤工作面頂板壓力，瓦斯，煤塵，水位等的控制，按照超過規(guī)定參數(shù)上限80%時，才采取自適應調節(jié)和自動控制。通過自行處理調整控制，使其始終保持在規(guī)定參數(shù)上限80%以下。當超過這些參數(shù)安全上限時開始報警并及時將相關信息上傳地面監(jiān)控中心。

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