嵌入式采煤工作面安全集中监控系统
综上因素，本次设计要求能够及时的，把采煤工作面顶板压力、水位、瓦斯浓度、粉尘浓度等物理量数据进行采集，并通过嵌入式32位AVR微处理器处理后通过网络及时上传到位于地面上的监控中心，便于安全监察人员和生产调度部门观察和抉择。在紧急重大的情况下及时采取相关措施将危害降到最低。同时，也在现场把瓦斯浓度、顶板压力、水位、粉尘浓实际的检测的数据，进行必要的判断和处理，以实现在一定的范围内对以上参数进行自适应调节和自动控制，以达到提高现场工作效率和安全系数的目的。
2.2 性能要求
考虑到采煤工作面所在的特殊环境，要求所设计的产品能够在这种特殊的环境下正常的运行。例如设计的低功耗性、防爆性、坚固性、和防潮绝缘性以及断电保护等，而根据相关规定，凡是要应用到煤矿井下的电气设备，其防爆性能要求较高，要么是保安型的，要么是本安型的。而要想得到以上资质，必须到相关煤矿防爆监测站进行有关的检测，检测通过后这些设备才能被用于井下作业。
针对本次设计大赛，由于受条件的限制，有关电气设备的防爆等无法实现和模拟，只能从电气设备的基本功能，结合嵌入式AVR微处理器的性能进行系统设计。
其它性能要求如下：
实时的采集采煤工作面的现场工作画面并通过网络向地面监控中心传输。为了达到实时的目的，采集图像的速率需最低为5幅/秒 ，同时为达到图像能正常传输这一目的，对采集的图像需要采取合适的压缩算法。
顶板压力、水位、瓦斯浓度、粉尘浓度等物理量数据采集的采样频率分别是 10秒，50秒，30秒，30秒。同时为了使采集的数据平滑，需要对采集的数据选择合适的数字滤波算法进行处理。
对采煤工作面顶板压力，瓦斯，煤尘，水位等的控制，按照超过规定参数上限80%时，才采取自适应调节和自动控制。通过自行处理调整控制，使其始终保持在规定参数上限80%以下。当超过这些参数安全上限时开始报警并及时将相关信息上传地面监控中心。
为更好的实现对采煤工作面顶板压力，瓦斯，煤尘，水位等规定参数的自动控制，采取PID数字控制算法。
三、方案设计
3.1 系统功能实现原理
此次设计的系统功能示意图如下图3.1所示：
本次设计是以一个基于AVR32 AT32UC3A单片机控制器的EVK1100评估套件和开发系统为核心，再将各个功能模块连接在一起，构成的一个完整系统。
首先由各种传感器采集信号，包括瓦斯浓度传感器、粉尘浓度传感器、压力传感器、井下水位传感器和视频采集模块等采集到的信号，先进行滤波、放大等处理，提取出其中有价值的信号，然后经过A/D转换以后成为便于处理的数字信号。为了提高信号的有效性和平滑度需对其进行数字滤波。而图像信号经过JPEG压缩算法处理以后可以通过网络，传递给用于监控的上位机。同时为了实现自动控制，对传感器传来的信号进行PID算法处理。当检测到参数超出规定值以后，产生报警信号，并将这一信号传寄给报警装置和地面监控中心，同时发出控制信号，这一信号经过D/A转换和放大处理以后对相关电机等进行控制，努力使相关参数恢复到正常范围以内。
通过在系统中增加网络模块，可以实现数据在网络中的有效传输，同时实现让任何接入到网络中的主机设备通过验证机制以后都可以访问到下位机传来的数据。为了统筹管理各个硬件模块的工作和充分利用系统的资源，在下位机中嵌入小型的uC/OS-II操作系统，同时为各个硬件模块开发相应的驱动程序，以实现应用层软件对底层设备的调用。
本次设计所涉及到的主要技术包括：①各信号的周期型采集实现；②模拟信号的滤波等处理；③数字滤波算法的实现；④uC/OS-II操作系统的移植；⑤相关驱动模块的开发；⑥lwip网络协议栈的嵌入；⑦自动闭环控制(PID算法)的实现；⑧JPEG图像压缩算法的实现。
3.2 系统硬件架构与资源配置
3.2.1系统硬件组成分析
系统的硬件总体结构框图如图3.2所示：
根据本次大赛的要求，考虑到本次设计对功能的要求以及其使用环境的特殊性，本次设计选用ATMEL公司的AVR 32 AT32UC3A芯片。这款芯片的指令集为紧凑型单周期RISC指令集，并且集成DSP指令集，具有很强的数据运算处理能力，并兼具高性能、低功耗等特点。完全能够满足本次设计所要求的性能稳定、功耗低等要求。为了充分利用系统的资源和发掘该款芯片的潜能，实现多任务的控制，在其中嵌入了实时性强可靠性高的操作系统uC/OS-II 。
在硬件的整体设计方面，主要分为四个部分，以各种传感器和画面采集器为中心的数据采集模块，以滤波整形电路为主的模拟信号处理模块，以MCU为中心的数字信号(数据)处理模块，和以地面上位机为中心的数据显示存储和处理模块。其中数据采集模块根据信号的不同处理方式又可以分为两类，以各种传感器为中心的信号采集模块和以摄像头为中心的现场画面采集模块。
给系统上电以后，首先运行系统自检程序，确认各个功能模块正常以后，系统进入正常运行模式。通过定时装置和给定的初始参数，系统依次选通各个信号采集模块。各个传感器和画面采集器将采集到得模拟信号经过处理以后进行A/D转换，然后提交给MCU。MCU根据预设计的程序处理各种信号，然后将处理好的信号传送到地面信息监控中心和系统本身自带的控制模块。
这里以瓦斯控制为例，采煤工作面的上隅角往往是瓦斯浓度最高的地方，可以通过在上隅角放置瓦斯浓度传感器，实时的检测那里的瓦斯浓度，从而保证工作环境的正常和采煤区周边环境的安全。系统采集到经过模拟信号处理和A/D转换以后的数据，经过处理以后，将结果发往地面控制中心和系统自带的控制模块。系统自带控制模块根据需要适时自适用的控制通风机的转速，将瓦斯的浓度控制在一个合理的范围，同时系统本身也可以接受地面控制中心发来的控制信息，对通风机的转速进行控制，从而实现系统的监和控。
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