基于嵌入式的矿区环境监测平台研究.docx

1、基于嵌入式的矿区环境监测平台研究目 录摘 要 11 绪论 11.1 研究的目的和意义 11.1.1 我国煤矿瓦斯事故现状 11.1.2 我国瓦斯监控系统应用现状 21.1.3 研究意义 21.2 瓦斯监控系统国内外的研究发展趋势 31.2.1 国内外煤矿安全监控技术研究现状 31.3矿井远程监控的方式 52.矿井无线传感器网络的网关设计 52.1 网关硬件设计 52.2 网管软件设计 63. 矿井监控方法 83.1基于 Web嵌入式的矿井远程监控特点 83.2基于WEB嵌入式的矿井远程监控 83.3基于 Web的矿井远程监控总体需求 93.3.1矿井监控系统的嵌入式设备功能 93.3.2远程监

2、控需求分析 93.3.3基于Web嵌入式的矿井远程监控系统设计 93.4 系统硬件设计 103.5系统软件设计 124.总结 13参 考 文 献： 14摘 要国内先进的瓦斯安全监控系统普遍采用工业以太环网为通信主干网的通信方式，但瓦斯安全监控系统的核心设备井下监控分站却没有以太网接口，而仅提供了 RS485 接口或 CAN 总线接口，这两种接口仅能提供最高 5 000bps 的通信速率，与工业以太网的100Mbps 之间存在巨大差距。另外这些井下监控分站也普遍存在通信协议不规范、各厂家设备互不兼容、监控分站人机界面差、显示面板较小等问题。因此，研制基于 ARM9嵌入式 CPU、具有大屏幕真彩色

3、 LCD 屏、具有工业以太网接口、具有工作面瓦斯浓度预测功能、兼容其它厂家产品的井下监控分站，并以此井下监控分站为核心，研制完全基于工业以太网的瓦斯监控与瓦斯预测系统就显得十分必要。1 绪论1.1 研究的目的和意义1.1.1 我国煤矿瓦斯事故现状我国是煤炭生产、消费大国，煤炭约占全部能源消耗的 70%。据第二次煤田预测资料，埋深在 1 000 米以浅的煤炭总资源量为 2.6 万亿吨，其中大别山秦岭昆仑山一线以北地区资源量约 2.45 万亿吨，占全国总资源量的 94%，以南的广大地区仅占6%左右。2010 年，我国煤炭产量完成 32.4 亿吨，增加了 3.3 亿吨，同比增长 11.4%，其中山西

4、、内蒙古、陕西 3 个省区分列前三名，煤炭产量均超过 3.5 亿吨。瓦斯是煤矿事故的罪魁祸首，国内煤矿重特大事故灾害 7080都是由瓦斯爆炸引起的。瓦斯事故主要是煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯窒息伤人等。此类事故一旦发生常常影响巨大，不但给矿井局部带来毁灭性损失，影响煤炭生产的正常进行，更给企业员工、矿工及其家属带来难以估量的经济损失和心理伤害。据国家煤矿安全监察局统计，自 2000 年 7 月至 2010 年底，我国共发生瓦斯相关事故 2 865 起，死亡 13 074 人，其中死亡 10 人及以上的特大事故 223 起，死亡 5 322人，期间还发生百人以上死亡事故 5 起，造成重大损失。可

5、见，我国煤矿瓦斯灾害形势非常严峻。近年来，国家大力推进瓦斯防治，建立了煤矿瓦斯防治工作体系，加大煤矿安全技改投入，组织了科技攻关和示范工程建设，出台了一系列文件和政策措施，在全国开展了瓦斯集中整治工作，取得了一定的成绩，但煤矿瓦斯事故依然对我国煤炭安全生产构成巨大威胁。瓦斯事故的原因很多，有管理方面的、设施方面的、人员素质及责任心等，但最本质的原因在于形成了瓦斯积聚，只有避免瓦斯积聚才能从根本上消除瓦斯事故。避免瓦斯积聚最重要的一步就是对瓦斯浓度的监控，这就必须要依靠各类矿井瓦斯监控系统。1.1.2 我国瓦斯监控系统应用现状煤矿瓦斯监控系统的应用对改善我国煤矿的安全状况、降低人员和财产损失、提

6、高煤矿生产效率和现代化水平具有重要作用。同时，在“先抽后采、监测监控、以风定产”12 字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，2007 年 1 月，国家安全生产监督管理总局要求所有煤矿矿井（包括高瓦斯矿井和低瓦斯矿井）必须安装瓦斯监控系统。目前，我国煤矿瓦斯安全监控系统现状是：数量占国有煤矿总数三分之二的全国5200 多处高瓦斯煤矿、煤与瓦斯突出矿井已全部装备了瓦斯监控系统，但这些系统很多已经普遍老旧，带伤运行，维护不善；剩余的其他国有低瓦斯煤矿、集体和私人煤矿瓦斯监控系统安装率只有一半左右。除了近几年安装的较新的瓦斯监控系统，大量老旧和缺装瓦斯监控系统的矿井由于国家强制要求，目前已进入安装瓦斯监

7、控系统的高潮期，我国煤矿瓦斯安全监控系统正迎来新一轮大规模的升级换代和安装热潮。目前我国煤矿使用的各类瓦斯监控系统多达十几种。综合评价我国现有煤矿瓦斯安全监控系统及其配套的各类传感器等设备的现场应用效果，煤炭科学研究总院重庆研究院的 KJ90NB 系统、镇江中煤电子有限公司的 KJ101N 系统、煤炭科学研究总院沈阳研究院的 KJ333 系统、天地科技股份公司常州自动化分公司的 KJ95N系统在软硬件功能、稳定性和可靠性、专业技术服务能力、企业性质和生产规模等方面基本代表了我国煤矿瓦斯监控系统的技术水平。我国目前最先进的瓦斯安全监控系统已经普遍采用工业以太环网为通信主干网，并在井下引入了 CA

8、N（Controller Area Network 控制器局域网络）总线，有效的提升了通信速率，同时系统中的监控分站、瓦斯传感器、断电仪等设备的可靠性、抗干扰能力大为提高。但是这些系统也普遍存在通信协议不规范，设备互不兼容，通信速率太慢，监控分站人机界面差，显示面板太小等问题。更主要的是，目前国内的瓦斯监控系统都将主要目标放在瓦斯监测方面，只是真实地记录数据，提供瓦斯浓度的超限报警，却没有提供瓦斯浓度提前预测功能，使得大量的瓦斯浓度历史数据得不到合理利用。一旦瓦斯浓度超限发生报警，马上就得关电停井，留出的处理时间很短。因此，研制基于 ARM9（ARM 公司设计的第 9 代嵌入式微处理器）嵌入式

9、 CPU，、具有大屏幕真彩色 LCD 屏、具有工业以太网接口的井下监控分站，并以此新型井下监控分站为核心，研制完全基于工业以太网的瓦斯监控及预测系统就显得十分必要。1.1.3 研究意义瓦斯监控系统可以为各级生产指挥者和业务部门提供环境安全参数动态信息，通过对被测参数的比较和分析为预防灾害事故提供技术数据，便于提前采取防范措施；通过对被测参数实时有效的监测，及时实现自动报警、断电和闭锁，便于防止事故的发生或扩大；在发生事故的情况下，能及时指示最佳救灾和避灾路线，为抢救和疏散人员、器材等提供决策信息。本文拟研制的基于 ARM9 嵌入式 CPU、具有大屏幕真彩色液晶屏、兼容多种协议、具有工业以太网接

10、口的井下监控分站，将可以解决目前主流监控分站存在的通信协议不规范、通信速率太慢、人机界面差、参数设置及数据显示不方便等的缺点，将目前主流瓦斯监控系统最高5 000bps的系统传输速率提升到100Mbps、甚至将来1 000Mbps以上。拟研制的基于新型分站的矿井瓦斯监控及预测系统，在对早期瓦斯监控系统升级时，只需要更换原系统的监控分站与部分通信线路，保留原来的传感器和监控主机等其他设备，即可将其他厂家的瓦斯监控系统升级为完全基于工业以太网、具有 100Mbps系统通信速率的新系统。由于新监控系统是完全基于工业以太网的，因此更便于将 IP视频电话系统、工业电视系统、人员安全检测系统、人员定位和考

11、勤等其他系统利用现成高速以太网络迅速布设，节约成本及时间，具有很大灵活性。目前，国内市场尚无具有大屏幕真彩色液晶屏、接口齐全、基于工业以太网的井下监控分站产品。本文针对完全基于工业以太网的瓦斯监控及预测系统进行的研究，将正好赶上目前的瓦斯监控系统升级换代潮流，可以较大幅度减少我国瓦斯矿难发生及财产损失。同时也有望提升我国和陕西省的矿井瓦斯监控及预测系统水平，为煤炭企业带来较大的经济效益与社会效益。1.2 瓦斯监控系统国内外的研究发展趋势1.2.1 国内外煤矿安全监控技术研究现状（1）国外煤矿安全监控技术现状国外煤矿安全监控技术是 20 世纪 60 年代开始发展起来的，至今已有四代产品，基本上

12、510 年更新一代产品。从信息传输方式的进步来划分监控系统发展阶段，可以分为四个阶段。第一代国外煤矿监控系统产品采用空分制来传输信息。20 世纪 60 年代中期英国煤矿的运输机控制、日本煤矿中的固定设备控制大都采用这种技术。波兰在 70 年代从法国引进技术推出了可测瓦斯、风速、温度等参数共 128 个测点的 CMC-1 系统。第二代国外煤矿监控系统的主要技术特征是信道频分制技术的应用。频分制的应用，体现了以晶体管电路为主的信息传输技术的发展。由于采用频分制，传输信道的电缆芯数大大减少，很快就取代了空分制系统。其中最具代表性且至今仍有影响的是德国 Siemens 公司的 TST 系统和 E+H

13、公司的 TF200 系统。第三代国外煤矿监控系统主要技术特征是信道时分制技术的应用。集成电路的出现推动了时分制系统的发展，从而产生了以时分制为基础的煤矿监控系统，其中发展较快的是英国。1976 年，英国煤矿研究院推出轰动一时的以时分制为基础的 MINOS 煤矿监控系统，并在胶带输送、井下环境监测、供电供水监测和洗煤厂监控等方面取得成功，形成了全矿井监控系统。第四代国外煤矿监控系统主要技术特征是分布式监控技术的应用。美国以其拥有的雄厚高新技术优势，率先把计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术等现代高新技术用于煤矿监控系统，这就形成了以分布式微处理机为基础的第四代煤矿监控系统，其中最有代表性

14、的是美国 MSA 公司 DAN6400 系统。（2）国内煤矿安全监控技术现状当前，我国矿井正在运行的瓦斯监控系统主要有三类： 20 世纪 80 年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引进的一批安全监控系统，如 DAN6400、TF200、MINOS 和 Senturion-200 等。通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，又先后研制出 KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ56、KJ75、KJ80、KJ92 等监控系统。由于当时相当一部分监控系统技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统

15、。特别是近年来老监控系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。 20 世纪 90 年代后期，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了 KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000 等监控系统，以及 MSNM、WEBGIS 等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。此时监控系统特点是系统通信干线普遍采用 RS485总线、PSTN（Public Switched Telephone Network，公用电话交换网）、FSK（Frequency-shiftkeying，频移键控）等方式传递信息，但整个系统通信干线的信息传输速率最高只能达到 5 000b

16、ps。 21 世纪以来，各个瓦斯监控系统生产厂家都在原有基础上推出了升级系统。煤炭科学研究总院重庆研究院在 KJ90 瓦斯监控系统基础上研制开发了基于工业以太环网+现场总线技术的新一代监控产品KJ90NB 全矿井综合自动化系统。天地（常州）自动化股份有限公司（煤炭科学研究总院常州自动化研究院）在先期开发的 KJ95 煤矿监控系统的基础上，开发出了 KJ95N 型煤矿综合监控系统。煤炭科学研究总院沈阳研究院在先期开发的KJF2000煤矿监控系统的基础上，开发出了KJ333煤矿综合监控系统。镇江中煤电子有限公司将原来的 KJ101 煤矿安全监控系统升级到 KJ101N 系统。另外，其他厂家也都在原

17、来产品的基础上，对监控系统的核心设备、传输方式、传感器接口等进行了升级换代。目前，我国最新的瓦斯监控系统的特点是系统通信干线普遍采用工业以太环网搭建。由于监控计算机一般具有 RS-232 接口，监控分站等设备一般具有 RS485 或 CAN总线接口，所以这些设备必须要通过一个工业以太环网与其他接口（RS-232C、RS485或 CAN 总线）的转换设备才能接入工业以太环网中。虽然监控系统通信干线的传输速率为100Mbps/1 000Mbps，但是由于RS-232接口的可靠通信速率一般采用5 000bps，由“木桶理论”可知，整个系统的通信速率是由其最小的通信速率决定的，所以监控计算机与监控分站

18、等设备的通信速率一般最高也只能达到 5 000bps。这也是为什么当前主流系统虽然基于工业以太环网搭建，但系统传输速率却不超过 5 000bps 的原因。此调整管理策略，实现企业的综合自动化，实现矿井前言现场运行数据的实时采集及快速集中，提供远程故障诊断数据，使技术人员及时掌控生产运行状态及随着因特网和企业网的快速发展， Web技术被各种参数，利用本地资源对远程对象实现控制，从而广泛地应用在煤矿矿井远程监控系统中。微电子技保证和维护了煤矿矿井正常生产的运行。对煤矿企术的进步，使嵌入式系统在计算机应用中占据了一业降低成本，提高生产效益具有十分重要的意义。 个新领域，它功能多、实时性好、可靠性高并

19、且结构。矿井远程监控系统的结构精小。基于 Web嵌入式的矿井监测系统结合 Web煤矿矿井远程监控系统分3部分：矿井远程监技术和嵌入式技术，利用 B/S架构实现服务器端与监测与控制系统。这3个部分各施其能，并分工协控终端系统、矿井远程数据传输系统、矿井井下现场客户端的信息交互，共同实现对矿井的远程控制。1.3矿井远程监控的方式根据矿井远程监控控制方式的不同，分为以下几类:（1）保持型远程监控。向远程设备控制系统发出控制命令，设备自主完成命令，监控设备只起监视作用，必要时才进行干预，远程监控系统一直保持对设备的监控能力。这种模式无需人工控制，非常适合于矿井井下的恶劣环境。（2）完成型远程监控。向设

20、备控制系统发出控制命令，设备操作控制在本地自主完成控制系统发出的指令，完成后向远程监控系统发送报告。（3）完全型远程监控。本地控制系统全部的操作控制由远程监控系统完成。设备控制系统和设备分离，要求系统能够立刻对现场情况做出反应。（4）人机交互远程监控。由本地操作员和远程监控系统协同控制进行，任务执行过程随时建立连接，设备的状态信息在远程监控采集。2.矿井无线传感器网络的网关设计2.1 网关硬件设计本文设计的嵌入式网关主要完成2 个功能：接收从节点传来的数据并进行相应的转换；完成与外部网络的通信，即转发外部网络传来的命令和控制信号以及传递传感网络采集来的数据。装置显示采用分离式单元实现，其中液晶

21、用于显示实时运行数据，同时具有清晰的跳、合位、保护动作指示灯， 具有信号复归按钮用于实现保护信号复归，装置维护及定值整定采用远程WEb 方式实现利用微机监控手段，通过通信网络使配电系统保护控制装置进行快速的数据交换，系统进行智能判断差动保护，完善保护功能，装置具有故障录波功能，保护启动信号触发录波记录，且具有掉电保持性能，具有光纤以太网接口用于系统通信，对井下设备的供电电源， 直接从电压母线互感器获得，需配备储能电容等设备用于保证系统在母线近端故障导致电压下降过低时保护不据动，实现自动化控制保护功能。网关主要由核心板和底板组成，其中底板上包括电源接口，DM9000 以太网芯片和无线收发模块CC

22、2420 等， 核心板主要由NAND FLASH 接口，SDRAM 接口，S3C2440 处理器，电源管理芯片组成。与一般的节点设计相比， 网关的设计比较复杂：因为无线传感器网络中的节点采集的数据都需要通过网关传递到外部网络，这样当节点的数量比较多时，对网关的处理速度要求比较高。所以本设计采用以ARM920T 为内核的S3C2440 处理器，该处理器的存储容量大， 能够很方便的与Internet 相连进行数据传输，而且运行速度快，可以完成复杂的路由算法，适用于工业控制领域。（1）无线收发模块本设计采用CC2420 作为射频模块， 完成与ARM 间的通信。无线收发芯片CC2420 采用IEEE8

23、02.15.4 标准， 工作在2.4GHz 频段。CC2420通过标准的SPI 接口与S3C2440 进行数据通讯，由SPI 总线的4 线（CSn、SI、SO、SCLK）设置芯片的工作模式，读/写状态寄存器等，通过控制FIFO 和FIFOP管脚接口的状态来设置发射/接收缓存器。CC2420 的4 条状态信号线FIFO、FIFOP、CCA、SFD将其工作状态传递给S3C2440,S3C2440 根据传递的信息对CC2420 的发送和接收做出相应的控制。（2）以太网接口模块本设计采用DM9000 作为以太网控制芯片，它可以实现介质访问控制层与物理层的功能，包括MAC 数据帧的组装/拆分与收发和CR

24、C 编码/校验等。DM9000 以总线的方式与处理器相连接， 可以根据需要设置其运行模式为单工或者全双工。DM9000 与S3C2440 处理器的连接。DM9000 的数据线SD 0:15 和S3C2440 的数据线DATA0:15相连接，实现了两者之间的数据传输；根据DM9000 的CMD 引脚的值来区分地址端口和数据端口，当其值为1 时，数据线上传输的是读写数据，当其值为0 时，传输的是寄存器地址。为了增强网络传输中的抗干扰性和提高数据的有效传输率，在DM9000 和接口间增加了网络隔离变压器H11022.2 网管软件设计本网关应用于煤矿井下综采面监控系统中，对实时性和可靠性有较高的要求，

25、因此，选择linux 操作系统作为软件开发平台。本嵌入式网关系统的软件设计主要包括DM9000 以太网卡的移植，CC2420无线模块驱动的开发，以及上层应用程序的编写。（1）DM9000 以太网卡的移植S3C2440 通过总线来访问DM9000， 总线位宽16，用到nWAIT 信号。DM9000 收到完整的数据包后，通过中断引脚来通知S3C2440 接收，与S3C2440相连的中断引脚为EINT7。对DM9000 以太网卡的移植，重点是对网卡驱动程序的修改。修改网卡的驱动程序时需要结合考虑所使用的内核，本设计中使用Linux-2.6.34 内核， 其对DM9000 有很好的支持，所以只需要简单

26、的配置和修改即可。在以下几个文件中相应的添加头文件和修改代码：arch/arm/plat-s3c24xx/devs.carch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.carch/arm/plat-s3c24xx/include/plat/s3c244x.hdrivers/net/dm9000.c修改make menuconfig 配置选项，在内核中增加对网卡DM9000 的支持。然后对根文件系统的启动脚本rcs 作出修改,使能执行网络初始化工作。最后重新编译内核，烧入ARM 中即可。需要注意的是第1 次使用ARM 时，需用ifconfigeth0 hw ether 命令

27、设置MAC 地址。MAC 地址可以随便设置。（2）CC2420 无线模块驱动开发编写CC2420 的驱动程序， 首先要了解数据结构struct file_operations， 它提供了文件系统的入口点函数，包括设备的读写和初始化操作等。然后是对设备进行打开操作， 定义函数static int spi_open（struct inode *inode, struct file *filp）。当设备文件被打开后，应用程序就会得到一个对应的句柄。接下来分别定义应用程序对设备的读写的操作。这里需要注意的是：由于读写操作用到的数据涉及到内核空间与数据空间的数据交换， 因为不能直接使用从2.矿井监控方法

28、用户空间传过来的数据，所以要借用Linux 内核提供的数据拷贝函数copy_from_user，copy_to_user。在编写完驱动程序的基本框架后，接下来需要完善其功能：增加I/O 端口映射；对SPI 端口进行设置；中断设置；中断注册等。最后增加对CC2420 的读写操作。在实现读写操作前须先实现对SPI 数据的正确读写。（3）应用程序网关的上层应用程序主要负责协议转换，由客户端程序和服务器端程序组成。网关的客户端程序用于完成Zigbee 的数据发送请求，传感网络中节点传来的数据是Zigbee 帧格式， 网关接收到数据后首先将其解析为原始数据， 此时网关可以根据需要对原始数据进行处理， 然

29、后根据TCP/IP 协议将数据打包，通过以太网送到上位机，以达到监测的目的。同时为了完成上位机的数据请求，需要编写网关的服务器端程序，其流程图如图5 所示。首先通过socket 编程监听上位机，当收到连接请求，经验证IP 地址的正确性后，程序进入死循环接收上位机发来的数据请求命令，将数据打包成Zigbee 协议格式通过SPI 写操作由CC2420 无线模块转发出去。然后准备接受节点设备传来的Zigbee 数据包，通过网关处理后最后发回到上位机，以供分析。应用程序需要使用多线程实现对多节点数据的并发处理。同时，可通过交叉编译将QT 移植到ARM 中，借助图形界面可以直观地显示节点数据的传送情况。

30、下综采面不容易接入，监控节点较少等特点，提出了一种基于ARM 的综采面无线传感器网络网关的设计。本网关将布置在综采面的无线传感器网络接入井下工业以太网，实现了上位机对综采面工作环境的实时监控。ARM 的抗干扰性以及Linux 操作系统的实时性可以保证本网关在条件恶劣的综采工作面可靠且有效的运作。本网关的设计解决了对综采工作面工作环境实时监控的一个难题，对综采工作面的安全生产和信息化推进具有一定的实际意义。针对采用有线通信方式的监控系统在煤矿井下综采面不容易接入，监控节点较少等特点，提出了一种基于ARM 的综采面无线传感器网络网关的设计。本网关将布置在综采面的无线传感器网络接入井下工业以太网，实

31、现了上位机对综采面工作环境的实时监控。ARM 的抗干扰性以及Linux 操作系统的实时性可以保证本网关在条件恶劣的综采工作面可靠且有效的运作。本网关的设计解决了对综采工作面工作环境实时监控的一个难题，对综采工作面的安全生产和信息化推进具有一定的实际意义。3. 矿井监控方法3.1基于 Web嵌入式的矿井远程监控特点矿井远程监控终端系统是用来与井下现场设备随着嵌入式系统和网络技术的发展，Internet及进行交互的远程接口。它主要包括井下设备状态显示，各种控制命令及参数的输入，并处理命令参数和其相关技术已大量应用到人们日常工作和生活环境状态数据及其它相关操作，矿井远程监控终端系统中。嵌入式技术的发

32、展，使得用户可通过 WEB浏览的主要操作平台是 PC机。器对设备进行远程配置，它的应用进一步推动了嵌矿井远程数据传输系统：它是远程控制信息（各入式系统的发展。类控制数据、监测数据和图像）的传输通道，目的是煤矿矿井远程监控技术的特点是远程监测与控将现场信息传输到监控端，管理员依据这些信息决制技术的结合，煤矿矿井远程监测用来在地面控制定下一步的操作措施并对现场设备进行实时控制。中心远程获得矿井井下现场的各种信息，煤矿矿井矿井井下现场监测与控制系统：它对矿井井下远程控制用来在地面控制中心进行远程发送命令，现场直接进行监测控制，根据矿井远程监控终端数以达到控制矿井井下设备运行的目的。借助于远程据控制设备工作，实时监测并分析设备状态，通过传监控可以实现对矿山生产、运营情况随时掌握并以输通道将设备状态发送到远程监控端。矿井远程监控系统通过计算机网络获得矿井现场信息并发送到监控中心，与信息管理系统相融合，充分发挥远程控制的功能，达到控制远程现场设备运行的目的，并对历史资料进行保存、管理和检索。 3.2基于WEB嵌入式的矿井远程监控基于WEB嵌入式的矿井远程监控它以网络作为通信平台的监控系统，利用网络通信技术、数