1.前 言

由于煤礦生產(chǎn)所具有的特殊作業(yè)環(huán)境，致使生產(chǎn)過(guò)程中潛伏著比一般行業(yè)更大的危險(xiǎn)性和不安全因素。隨著煤炭開采量的不斷增加，安全問(wèn)題變得日益嚴(yán)峻，時(shí)常有各種特大事故見諸于媒體。這一切都警示了煤礦安全生產(chǎn)的嚴(yán)峻形勢(shì)和提高煤礦安全生產(chǎn)的必要性和緊迫性。在計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)用以GIS為核心的監(jiān)控系統(tǒng)已成為煤礦安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的一種重要手段。GIS煤礦安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以將傳感器測(cè)得的瓦斯?jié)舛取L(fēng)量、設(shè)備狀態(tài)等多種數(shù)據(jù)自動(dòng)地在電子地圖中顯示出來(lái)，結(jié)合井下人員定位系統(tǒng)還可以將井下作業(yè)人員的位置等也顯示在電子地圖上。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸以局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為載體。在計(jì)算機(jī)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)迅速發(fā)展的今天，把各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳到監(jiān)控中心和定時(shí)傳給責(zé)任人，使相關(guān)責(zé)任人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能對(duì)煤礦安全情況了如指掌，將對(duì)煤礦安全生產(chǎn)管理有很大的促進(jìn)作用。同時(shí)，對(duì)于地處偏遠(yuǎn)的礦山，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源有限的情況下，采用移動(dòng)通信無(wú)線傳輸也很有必要和實(shí)際。

2.系統(tǒng)的組成及工作原理

2.1系統(tǒng)組成

基于ARM的GIS煤礦安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：礦井端、GSM通信網(wǎng)絡(luò)、GIS監(jiān)控中心。

礦井端主要包括GPS模塊、GSM模塊和ARM控制模塊。GPS模塊和GSM模塊實(shí)現(xiàn)定位、無(wú)線傳輸;ARM控制模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，是礦井端的主模塊。它是工作人員隨身攜帶的ARM嵌入式設(shè)備，這個(gè)設(shè)備可以是幾個(gè)人共用，在下井工作之前只要輸入指紋驗(yàn)證與其相關(guān)的個(gè)人信息，GIS中心數(shù)據(jù)庫(kù)中即可以準(zhǔn)確記錄下井工作人員。作為數(shù)據(jù)采集、處理控制模塊，核心功能是不斷的獲取井下工作人員的位置信息以及瓦斯?jié)舛取L(fēng)速等參數(shù)值，并把這些信息通過(guò)GSM通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到GIS監(jiān)控中心，同時(shí)能夠隨時(shí)接收來(lái)自監(jiān)控中心的調(diào)度命令。

GSM通信網(wǎng)絡(luò)用來(lái)完成礦井端與GIS監(jiān)控調(diào)度中心之間的信息傳輸，采用現(xiàn)存的GSM移動(dòng)信息系統(tǒng)的SMS短消息業(yè)務(wù)。

GIS監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是基于GIS智能化監(jiān)控管理中心，能夠隨時(shí)顯示井下人員的位置、瓦斯?jié)舛然蛟O(shè)備狀態(tài)等信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息對(duì)相應(yīng)的設(shè)備做出控制(人為或自動(dòng))。

2.2系統(tǒng)工作原理

礦井端首先實(shí)時(shí)采集井下工作人員的動(dòng)態(tài)位置(經(jīng)度、緯度、高度)、時(shí)間、狀態(tài)，以及瓦斯?jié)舛取L(fēng)速、溫度等環(huán)境信息，然后由數(shù)據(jù)處理模塊和控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)GSM模塊將這些信息實(shí)時(shí)的通過(guò)GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳至GIS監(jiān)控中心，在具有強(qiáng)大地理信息處理、查詢功能的電子地圖上進(jìn)行工作人員、以及所在位置的溫度、風(fēng)速、壓力和瓦斯?jié)舛取⒁谎趸嫉臐舛鹊雀鞣N參數(shù)的準(zhǔn)確定位和顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的監(jiān)控、查詢，當(dāng)某一參數(shù)超過(guò)確定的安全值時(shí)即進(jìn)行報(bào)警，監(jiān)控中心則通過(guò)GPS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)向礦井發(fā)送各種監(jiān)控、調(diào)度信號(hào)，消除各種隱患，確保煤礦安全生產(chǎn)。

3.礦井端硬件的設(shè)計(jì)

3.1 GPS模塊

GPS模塊主要用于定位，通過(guò)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算出所要定位人員所在的位置。GPS模塊由變頻器、信號(hào)通道、ARM芯片組成。GPS模塊通過(guò)串行口向主控制器發(fā)送定位人員坐標(biāo);GPS模塊需要配備專門的GPS天線接收GPS衛(wèi)星信號(hào)。一般需要接收三顆以上的GPS衛(wèi)星信號(hào)才能進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。為了方便，GPS模塊設(shè)計(jì)安裝在井下人員的安全帽上。

考慮到大多數(shù)煤礦的實(shí)際情況，GPS模塊采用GARMIN的GPS25LP。

3.2 GSM模塊

井下人員與監(jiān)控中心之間的通信是通過(guò)GSM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在煤礦實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)的短消息業(yè)務(wù)進(jìn)行通信，短消息業(yè)務(wù)屬于GSM 數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)電信業(yè)務(wù)，它具有隨時(shí)在線、不需要撥號(hào)、價(jià)格便宜、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，特別適合于需頻繁傳送小流量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，本模塊設(shè)計(jì)采用 SIEMENS的TC35i無(wú)線GSM模塊。

3.3 ARM控制模塊

ARM控制模塊是礦井端的核心控制部件，它是一個(gè)基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)，它的主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制礦井端的各組成部分按照通信協(xié)議的要求，執(zhí)行相應(yīng)的操作。該系統(tǒng)包括CPU存儲(chǔ)器、I/O接口以及各種控制邏輯電路等。模塊設(shè)計(jì)首要的工作是對(duì)嵌入式處理器進(jìn)行選擇。在一個(gè)系統(tǒng)中使用什么樣的嵌入式處理器內(nèi)核主要取決于應(yīng)用的領(lǐng)域、用戶的需求、成本、開發(fā)的難易程度等因素。確定了使用哪種嵌入式處理器內(nèi)核以后，接下來(lái)就是結(jié)合實(shí)際情況，考慮系統(tǒng)外圍設(shè)備的需求情況，選擇一款合適的處理器。結(jié)合目前煤煤礦實(shí)際情況，選取了AT91R40008微處理器。該處理器是基于處理器核16/32位微處理器大家族中的一個(gè)分支，采用高性能的32位結(jié)構(gòu)，具有高密度的16位指令集和低功耗的特點(diǎn)，系列將處理器內(nèi)核與片內(nèi)高速存儲(chǔ)器和多項(xiàng)外圍功能結(jié)合在一片微處理器上，為大量的計(jì)算機(jī)嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活的低成本的解決方案。

確定了各組成模塊后，接下來(lái)將各個(gè)模塊、設(shè)備與ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板使用相應(yīng)的通信電纜連接起來(lái)，根據(jù)實(shí)際情況，再加上少量的外圍器件和電源模塊就可以構(gòu)成硬件平臺(tái)進(jìn)行礦井端的系統(tǒng)集成。各模塊間的關(guān)系如圖1所示。

4.礦井端的軟件設(shè)計(jì)

在礦井端中，位置信息的獲取、短消息的收發(fā)、內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理以及外圍控制設(shè)備的驅(qū)動(dòng)都是在ARM芯片的統(tǒng)一控制下完成的，這就需要對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行必要的編程，本系統(tǒng)基于μClinux操作系統(tǒng)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。

4.1 μClinux開發(fā)環(huán)境的建立

為了實(shí)現(xiàn)基于μClinux的應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，建立或擁有一個(gè)完備的μClinux開發(fā)環(huán)境是十分必要的。基于μClinux操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境一般是由目標(biāo)系統(tǒng)硬件開發(fā)板和宿主PC機(jī)所構(gòu)成。目標(biāo)硬件開發(fā)板用于運(yùn)行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應(yīng)用軟件，而目標(biāo)板所用到的操作系統(tǒng)的內(nèi)核編譯、應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試則需要通過(guò)宿主PC機(jī)來(lái)完成。雙方之間一般通過(guò)串口，并口或以太網(wǎng)接口建立連接關(guān)系

4.2 系統(tǒng)軟件流程

礦井端由AT91R40008開發(fā)板、TC35i, GPS15 OEM板組成，AT91R40008開發(fā)板帶有兩個(gè)串口，其中一個(gè)串口與GPS接收模塊連接，接收來(lái)自衛(wèi)星的位置信息，另一個(gè)串口與TC35i連接，將接收到的定位數(shù)據(jù)打包成短消息格式通過(guò)現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)人員定位和監(jiān)控管理。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程大致如下:系統(tǒng)加電進(jìn)行復(fù)位后，自檢并初始化。 GPS模塊首次開機(jī)后會(huì)自動(dòng)搜索星歷歷書等信息，接收到定位信息后，將我們所需要的經(jīng)緯度等位置信息進(jìn)行編解碼處理，打包成短消息的格式，通過(guò)TC35i 模塊發(fā)往用戶終端或總機(jī)，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的定位和監(jiān)控管理。整個(gè)系統(tǒng)流程圖如圖2所示:

圖2　系統(tǒng)流程圖

5.結(jié)束語(yǔ)

基于ARM嵌入式技術(shù)的GIS煤礦安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要是利用ARM的強(qiáng)大功能，結(jié)合GRP、GSM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了礦井端的煤礦安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，相對(duì)于傳統(tǒng)的采用8位單片機(jī)作為主控芯片的礦井端，其復(fù)雜監(jiān)控的功能更強(qiáng)，系統(tǒng)更靈活，適用性更好，同時(shí)具有更大可擴(kuò)展性，對(duì)加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)管理將具有一定的推動(dòng)作用，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益良好。