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煤矿说明书

第十届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛

作品说明书

作品名称：

煤矿员工实名管理和安全监测系统

作者姓名：

余舰左季杨海鹏

摘要

针对我国中、小型煤矿广泛存在的人员管理混乱、矿井准入制度不严格、井下安全监测设备功能单一等问题，我们设计了这套集人员管理和安全监测于一体的煤矿员工实名管理和安全监测系统。

按功能划分，本系统包括矿井管理模块和矿区管理模块。

矿井管理模块以嵌入式系统为控制核心，包括两个子模块，分别是员工登记模块和井下安全监测模块。

井下安全监测模块由单片机控制，它与嵌入式系统的通信采用电力线载波方式（PLC）；员工登记模块主要基于射频技术，包括射频读卡器等。

矿区管理模块为PC机及软件。

软件为运用MFC（MicrosoftFoundationClasses）编写的视窗操作界面，功能齐全，操作简单，可轻松实现员工信息的管理、存档、查询、浏览以及井下安全数据的曲线显示等操作。

硬件设计方面,分别介绍了嵌入式处理器PXA270的性能、系统电路设计以及凌阳SPCE061A单片机数据采集系统的电路设计和工作原理。

程序设计方面,分别介绍了ADS开发环境下编写的ARM核心程序、u'nSPIDE开发环境下编写的凌阳单片机程序以及MFC类型库编写的矿区管理者界面。

关键词：

实名管理安全监测嵌入式处理器PXA270PLCMFC

Abstract

Tosolvetheproblemwhichbroadlyexistsinourcountry’scoal-miningthatsmallandmiddle-sizedcoalminesaredisorderlymanaged,thesystemofcoalmineadmittanceisnotstrictandthedevicesforundergroundsafedetectionarenotreliable,wedevelopedthissystemforcoalminerreal-namemanagementandsafedetectionwhichiscapableofcontrol-managingandsafedetecting.ItrealizestheapplicationofIntelXscalePXA270inthecoalminemanagementandsafedetectioncontrolsystem,andcombinesthestaffmanagementandsafedetectioneffectivelyintheaspectofhardwaredesign.AndthispartconsistsofARMcentralprocessingsystemandSTCdatacollectingsystem.

WewritetheprogramesinMicrosoftVisualC++Languageonthehost’sclient.TheinterfaceiswritteninMicrosoftFoundationClassesLibraryLanguage.Soitisbriefandgood-looking,withcompletefunction,andcanrealizetheprocessing,analsis,management,file,inqurement,scanningandprintingofdata.

AdoptingthePowerLineCarriercommunicationtechnology,thesystemsolvedtheproblemofdatacommunicationbetweenSTCandARM,shareofsourcebetweenARMandPC.Itprovidesthebasisforthehigh-speedcommunication,managementandexpansionofthewholemanagementsystem.

Intheaspectofhardwaredesign,wewillseparatelyintroducetheperformanceofIntelXscalePXA270andthecircuitdesignandprincipleofSTCdatacollectingsystem.

Intheaspectofprogramdesign,wewillseparatelyintroducetheARMcoreprogramintheADSbuilder,theSTCdriveprogramintheKeilbuilderandtheclientsoftwarewritteninMFClibrary.

KEYWORDS:

EmbeddedproccesserIntelXscalePXA270MFCPLC

目录

前言1

第一章概述3

1.1方案论证3

1.2核心技术12

1.3市场前景16

第二章系统结构详述18

2.1模块结构划分18

2.2模块功能介绍19

2.3模块工作原理20

第三章系统综合分析32

3.1系统性能分析32

3.2系统应用分析34

总结36

参考文献37

附录A原理图38

附录B实物图40

附录C硬件核心程序42

附录D软件核心程序45

前言

近年来，全国各地煤矿生产事故频繁发生，形势严峻，煤矿安全问题成为构建社会主义和谐社会的极大障碍，是确保安全生产的前提下一个亟待解决的问题。

我们从煤矿生产现状出发，对煤矿安全事故频发和造成严重人员伤亡的原因进行了分析和论述，基于此，针对我国中、小型煤矿，我们开发了这套“煤矿员工实名管理和安全监控系统”。

一、我国中、小型煤矿生产存在的基本问题

我国中、小型煤矿生产面临着诸多困难，其中人员管理和井下安全问题特别突出。

近年来我国平均每7.4天发生一起特大煤矿事故，远远高出世界平均水平，我国煤矿产量约占全球产量的35%，事故死亡人数则占到近80%；百万吨死亡率是美国的100倍，南非的30倍。

频繁发生的矿难事故与我国建设社会主义和谐社会的政治大背景是极不协调的，因此着力解决好这些问题已经迫在眉睫，否则就有可能面临积重难返的危险。

二、安全问题频现的原因分析

1.煤矿管理者缺乏管理矿区的相应能力。

由于受到中、小型煤矿生产规模和投入的限制，管理人员一般缺乏对矿区进行合理、有效管理的能力和方法，考虑到这一点，本系统中的矿区管理模块基于MFC（MicrosoftFoundationClasses）编辑了人性化的视窗操作界面，安装方便，操作简单，容易上手，这些优势将极大地增强管理者对整个矿区人员进行管理、调度的力度，提高了煤矿生产的运作效率，最大程度地避免了发生煤矿安全事故以后由于人员安排混乱、对被困矿工信息不了解的不利情况，为接下来救援工作有序的进行创造了很好的前提条件，在最大限度下降低救援工作的难度、挽回煤矿的损失。

2.矿井准入制度不完善。

由于中、小型煤矿在管理上缺乏切实有用的矿井准入设备，导致了很大程度上准入制度不严格，管理者对下井人员情况不了解，一旦发生事故造成人员伤亡就容易存在向上级主管部门上报虚假遇难矿工名单的现象，使得相关部门对遇难者家属的安抚工作难以开展，鉴于此，本系统在矿井入口处安装的矿井管理模块中预先存入矿区所有人员的最新信息，一旦识别到不符合下井条件的人，就会自动启动相应的报警装置，及时通知位于井口的管理人员，以阻止其进入矿内，从根本上保证了严格的矿井准入制度，防患于未然，将煤矿安全事故可能造成的人员伤亡降低到最小限度。

3.安全设施不完善。

我国煤矿储量大、分布广但大都属于地下矿，瓦斯浓度高，因此开采难度较大，技术要求高，在开采过程中稍有不慎，便可能引发重大事故。

我国煤矿分布的特点决定了很多煤矿生产者在安全设施的配备上显得力不从心，同时地方财力有限，地方财政转移支付的力度不够，造成煤矿生产设备落后、安全设施不完善，即仅仅能对井下安全状况起到监测作用，不能够及时将其环境参量传送到井上设备进行长期的统计分析，并以此对煤矿安全生产作出科学的指导，这个弊端无疑是目前国内很多中、小型煤矿的安全监测设备中所普遍存在的。

由于可靠的安全监控是煤矿生产中的重中之重，故本系统的井下安全监测模块将在井下对矿井内的甲烷、温度等环境参量进行实时监控，并采集井下安全数据传送到矿井上方嵌入式系统进行统计分析，这样就可以对生产作出指导，较好地避免上述煤矿安全监测设备中广泛存在着的弊端，减小发生意外的几率，尽可能降低事故的人员伤亡。

煤矿事故造成的损失要比安全生产投入和预防预警机制建设投入多得多。

事实上，只要管理者措施得力，安全监测有效进行，大多数的矿难的损失是可以控制和被降低的，甚至是可以避免的。

凡事预则立，不预则废，只有及早建立煤矿人员的管理和事故的预防预警机制，对可能发生安全事故的重要环节及早预防，才能真正做到煤矿生产的有备无患。

第一章概述

1.1方案论证

一、方案背景

煤矿事故向来是社会所关注的热点问题，几乎每隔一段时间我们就会在媒体报道中得知重大矿难的发生，特别是中、小型煤矿更是煤矿行业重点管理的对象。

目前我国中、小型煤矿的现状如下：

据调查，中、小煤矿中的大多数目前仍然沿用传统的登记簿方式对下井矿工进行登记，矿井准入制度很不严格；瓦斯等级鉴定的矿井有19648处，其中，高瓦斯矿井3545处，占18.0%；煤与瓦斯突出矿井728处，占3.7%。

高瓦斯矿井只有52.9%的矿井安装了瓦斯监测系统，87%省（市）尚未实现全区瓦斯监测联网。

绝大多数矿井没有建立束管监测等自燃发火监测系统。

中、小煤矿生产人员95%以上的是农民工，60%左右无专业技术人员，85%左右专业技术人员配备不齐，生产方式原始落后；绝大多数矿井防灾系统不健全不完善，安全技术装备落后，防灾抗灾能力差；从业人员文化水平低、安全技能和安全素质差，安全保护意识薄弱。

 无视矿工生命安全，日停夜开、明停暗采；受经济利益驱使，中、小型煤矿超能力、超强度、超定员生产现象严重，导致事故频繁发生。

特别是绝大多数煤矿的人员管理和安全监测是两个相互分离的部分,这使得对整个矿区的管理力度显得十分微弱，不利于管理者根据井下安全状况及时对生产作出相应地调整，并使发生矿难后对人员进行调查和统计的工作陷入困境。

众多的矿难和亟待解决的问题已经摆在了我们的面前，已经迫在眉睫，我们应该提出些方案来解决这些问题。

在这个具有深刻社会背景的前提下，针对我国中、小型煤矿，为了克服现有技术的不足，利用嵌入式系统构建出了一套集管理、监测、分析于一体的煤矿监管综合系统，来完成对矿工的实名管理和进出矿井的严格控制，以及对井下的安全状况进行监测，并采集、分析相关数据，对煤矿的人员进行规范化管理、对安全生产做出指导。

附：

2005年至2006年全国全年矿难平均统计量图，如下

图1

二、方案提出

基于现有嵌入式技术，并结合软件设计和电力线载波通信等技术，运用模块化思想，根据一个矿区包括多个矿井的结构，将系统分为矿区管理模块和矿井管理模块两大主干部分。

具体地说，本系统所包括的矿区管理模块是一个独立的模块，它包括PC机及软件；矿井管理模块以嵌入式系统为核心进行搭建，矿井管理模块的数量与矿区管辖的矿井的个数相等，各矿井管理模块之间相互独立，每个矿井管理模块都包括员工登记模块和井下安全监测模块。

矿区管理模块与该矿区内所管辖的所有矿井管理模块之间利用电力线进行连接，通过电力线载波的方式并竞争总线来实现它们之间的通信，形成了本系统的网络结构，并对该矿区内所有的矿井进行全面、系统的管理。

员工登记模块基于现有射频技术，包括射频卡和读卡器，对进出矿井的人员进行刷卡登记，员工登记模块与嵌入式系统之间采用串口通信方式进行通信。

井下安全监测模块包括单片机处理器及传感器件，对井内安全状况参数进行数据采集，并将采集到的数据实时地上传给矿井上方的嵌入式系统，再由嵌入式系统对数据作进一步处理，并与PC机及时通信。

本系统各模块总体结构示意图如下：

图2

图2中的矿区管理模块，由PC机及软件组成，由管理者对其进行操作，可置于矿区的管理中心。

软件为视窗操作界面，由微软基本类库MFC（MicrosoftFoundationClasses）进行编辑，该视窗操作界面的菜单为：

系统管理菜单、人事档案管理菜单、考勤管理菜单、数据库管理菜单、安全状况查询菜单、备忘录菜单、更换皮肤菜单、帮助菜单，每个菜单下设置的选项具有不同的功能，供管理者根据需要进行选用，具体的操作只需要点击相应的菜单就可以进行。

通过编写的操作界面管理者可以了解矿区人员的所有信息，包括姓名、年龄、家庭状况、职称、工作情况等。

管理者可以随时查看到各个矿井的实时下井人数，同时通过它还可以对各个矿井发生矿难的次数、井下安全监测模块采集到的安全状况数据进行长期统计，其中安全状况数据会在界面中以曲线图的形式实时显示，供煤矿安全监管部门分析、研究使用。

图2中的员工登记模块，它由读卡器和各员工配戴的射频卡组成，与嵌入式处理器PXA270一起置于矿井入口处。

模块对矿工进出矿井进行刷卡登记，并通过串行线连接PXA270。

通过对PXA270的处理器核ARM进行编程，使其具有自动处理信息的能力，当接收到来自读卡器的登记信号后，会在其液晶显示器LCD上显示出登记情况，并将每个登记矿工的照片、个人资料进行显示，同时ARM中的放音程序会控制外围电路播放出相应的提示音，管理人员可以根据放音和在LCD上显示的结果对矿工身份、进出情况进行核实。

图2中的井下安全监测模块，由凌阳单片机SPCE061A及传感器件组成。

单片机采用电源模块供电，通过AC/DC转换，可以直接将井下照明电用于对监测模块的供电，而不需要其它供电装置。

该模块安放在矿井内多个不同的、而且固定的位置，接通电源开始工作后，各个传感器件不断地对矿井内部的安全状况数据进行采集，单片机的数据缓冲区每接收到一组数据就与预先设置好的安全警戒值进行比较，一旦超过警戒值，报警装置就会马上向矿井内工人发出警报，同时不断将接收到的数据传送给矿井上方的嵌入式系统。

这样既可以实现对一定范围的安全监测，同时也可以通过这些固定的监测装置对矿井巷道内部区域进行编号，以便在发生危险时嵌入式系统能够根据不同单片机传来的信号迅速判断出危险区域。

三、方案实现

1、员工登记模块设计

下图是本系统的员工登记模块工作原理示意图，工人每刷一次卡，读卡器就将一个卡号唯一对应一名工人的物理卡号发送给嵌入式处理器PXA270，PXA270与员工数据库进行核对后，将合法员工的照片、姓名等信息显示在LCD上，并显示出当前下井的实际人数。

通过对嵌入式处理器的核ARM进行编程，形成了一个在LCD上显示的操作界面。

LCD为触摸屏，点击相应的按钮就可以对该矿井所有员工以及当前已经下井作业的员工情况进行查询。

该模块一端通过电力调制解调器连向电力线，与井下安全监测模块进行通信，另一端与PC机相连。

员工登记模块工作示意图如下：

图3

2、井下安全监测模块设计

井下安全监测模块安装在井下多个不同的、而且固定的位置，通过传感器对周围环境中的参量进行采样，根据选用的传感器件的特性，其输出为线性模拟量，AD转换后进入凌阳单片机的数据缓冲区，通过编程控制，数据从串口输出到电力线调制解调器，经过调制以后耦合到电力线上并进行传输，与此同时每采集一组数据，单片机会与预先设置好的安全警戒值进行比较，一旦超过警戒值，其报警装置会自动发出警报，通知井下的工人。

考虑到一块单片机挂接多个传感器件以及方便上位机对数据进行处理，每个器件采集到的数据采用分时传输方式，即一种环境参量数据在进行传输的时候，其它环境参量数据不断地存入单片机数据缓冲区。

电源由电源模块对照明电降压转换后提供，同时还配备充电电池，保证在发生意外断电的情况下，虽然无法将采集到的数据进行上传，但监测模块仍然能够独立地完成报警功能。

下图为井下安全检测模块的结构示意图

图4

3、矿区管理模块设计

界面用MFC进行编辑，视窗操作。

该视窗操作界面的菜单为：

系统管理、人事档案管理、考勤管理、数据库管理、安全状况查询、备忘录、更换皮肤和帮助共八个子菜单，每个菜单下设置的选项具有不同的功能，供管理者根据需要进行选用，具体的操作只需要点击相应的菜单就可以进行。

下图为矿区管理界面功能框图：

图5

下面对各个子菜单下的选项功能进行简要说明：

.系统管理菜单下设有用户设置、重新登录和退出系统三个选项。

“用户设置”选项可以添加和删除用户，用户身份分为管理员和普通用户；选择“重新登录”可以在不同用户之间进行切换登录；点击“退出系统”就可以关闭界面。

.人事档案管理菜单下设有人事档案浏览、人事资料查询和人事资料统计三个选项。

在“人事档案浏览”对话框下管理者可以浏览整个矿区所有人员的信息，包括基本档案、家庭成员、工作经历等，可以根据条件进行分类显示，还可以根据需要及时添加、修改、删除人员的信息，维持数据的准确性；在“人事资料查询”对话框下可以根据输入的人员个人信息和所在的部门信息进行人事查询，并显示出查询结果，包括该员工的员工号、姓名、年龄、职称、入职时间；“人事资料统计”对话框下提供了多种统计类别，管理者可以按照性别、年龄、籍贯、部门、职工类型等类别进行矿区人数的统计。

.在考勤管理菜单下的“考勤设置”选项中，管理者可以根据煤矿生产情况设置上、下午的工作时间，严格矿工的上下班制度；“考勤记录”对话框里，可以按照时间范围和单个员工进行考勤查询，并显示查询结果，包括出勤记录、加班记录、请假记录和出差记录，也可以添加和删除考勤信息，建立请、销假机制；选项“考勤统计”可以按照时间段对员工的工作时间进行统计，也可以对单个员工的工作小时数进行查询和显示；“考勤登记”是在员工进出矿井口进行刷卡登记时使用，根据接收到的刷卡信息，它可以实时地显示出当前登记的员工的照片、物理卡号、出入状态和出入时间，通过相应的选择还可以对不同的分矿井的登记情况进行查看，包括员工的编号、姓名和出入状态，本系统的这一功能能够对出入矿井的人员进行严格的控制。

.数据库管理菜单下包括五个选项，其中“数据库备份”和“数据库恢复”仅限管理者使用，它可以完成对数据库的备份和恢复，用以保护整个矿区的人员信息；打印的相应选项可以对当前页面下显示的内容根据相关设置进行打印。

.安全状况查询菜单下包括实时安全曲线和历史安全曲线两个选项。

点击“实时安全曲线”按钮以后，能够显示出当前井下的实时安全状况曲线图，供管理者对安全生产进行监控；选择“历史安全曲线”,可以显示出某段时间内的安全状况曲线，给分析人员提供可靠、详实的井下数据，供他们对煤矿生产作出指导。

.备忘录菜单下为“安全记事”选项，管理者可以新建一个记事，用它记录各个矿井的安全事故情况，还可以按照记事的标题和类别对特定记事的内容进行查看。

.更换皮肤菜单下提供了几个备选的界面皮肤，供不同的用户根据喜好进行选择。

.帮助菜单提供了本界面的开发团队和版本号等信息

1.2核心技术

本系统在各个矿井管理模块应用了基于ARM核的嵌入式系统及其相关外围设备对矿工进行刷卡登记，控制其出入矿井，并应用该系统对井下采集到的安全状况数据进行实时处理，同时与矿区管理模块及时通信；在与井下安全状况监测模块的通行上采用电力线载波通信的方式接收各个矿井下采集到的安全状况数据，并对其进行综合分析，在紧急情况下向管理者发出安全警报；在矿区管理模块采用了MFC（MicrosoftFoundationClasses）进行界面编辑，并通过这一管理界面将矿区人员信息数据库与ARM进行数据交换，实现了对整个矿区的综合控制管理。

一、嵌入式处理器

1、嵌入式处理器IntelXscalePXA270简介

PXA270是Intel公司于2003年第四季度推出了性能卓越的嵌入式处理器,基于XSCALE架构,最高主频可达624MHz。

其处理器核为ARM，性能卓越，加入了IntelSpeedStep动态电源管理技术,在保证CPU性能的情况下,最大限度地降低了设备功耗。

2、IntelXscalePXA270的主要性能指标

主频312MHz～624MHz （本平台采用512MHz）

高性能scalable核心，配合2700G最大视频输出分辨率可大1280×1024

SpeedStep节电技术

SpeedStep技术原用于Intel移动处理器,这种技术用通俗的语言表述就是系统需要多高的主频,它就调节到多高的频率,系统不需要时,它就将处理器主频调节到最低,绝不浪费一点点。

从技术资料上我们了解到,SpeedStep技术可以将处理器的主频在26MHz～624MHz（最高）之间自由调节,也就是说,在系统完全空闲时,处理器可以运行在26MHz的主频下，此时它的功耗将低于0.1毫安。

 扩展接口

处理器在扩展接口方面选择很丰富，可以选择SD/SDIO/MMC、CF/PCMCIA、CMOS/CCDCAMERA、MS/MSPRO、USB2.0、OTG、IDE、LAN、SIM接口、KEYBOARD等。

④处理器核为ARM，ARM采用RISC架构，具有如下特点：

体积小、低功耗、低成本、高性能；

支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

大量使用寄存器，指令执行速度更快；

大多数数据操作都在寄存器中完成；

寻址方式灵活简单，执行效率高；

指令长度固定。

二、MFC（MicrosoftFoundationClasses）

1、MFC简介

MFC，即MicrosoftFoundationClassLibrary，是一个编程框架，其中的各种类结合起来构成了一个应用程序框架，它的目的就是让程序员在此基础上来建立Windows下的应用程序，这是一种相对SDK来说更为简单的方法。

在总体上，MFC框架定义出了应用程序的轮廓，并提供了用户接口的标准实现方法，编程人员要做的就是通过预定义的接口把具体应用程序特有的东西填入这个轮廓。

MicrosoftVisualC++提供了相应的工具来完成这个工作：

AppWizard可以用来生成初步的框架文件（代码和资源等）；资源编辑器用于帮助直观地设计用户接口；ClassWizard用来协助添加代码到框架文件；最后进行编译，则通过类库实现了应用程序特定的逻辑。

2、MFC特点

MFC抽象出众多类的共同特性，设计出一些基类作为实现其他类的基础。

这些类中，最重要的类是CObject和CCmdTarget。

CObject是MFC的根类，绝大多数MFC类是其派生的，包括CCmdTarget。

CObject实现了一些重要的特性，包括动态类信息、动态创建、对象序列化、对程序调试的支持等等。

所有从CObject派生的类都将具备或者可以具备CObject所拥有的特性。

CCmdTarget通过封装一些属性和方法，