1.引言

由于煤礦生產所具有的特殊作業(yè)環(huán)境，致使生產過程中潛伏著比一般行業(yè)更大的危險性和不安全因素。隨著煤炭開采量的不斷增加，安全問題變得日益嚴峻，時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的嚴峻形勢和提高煤礦安全生產的必要性和緊迫性。在計算機、互聯(lián)網和通信技術高速發(fā)展的同時，應用以GIS為核心的監(jiān)控系統(tǒng)已成為煤礦安全實時監(jiān)測的一種重要手段。GIS煤礦安全實時監(jiān)測系統(tǒng)可以將傳感器測得的瓦斯?jié)舛?、風量、設備狀態(tài)等多種數(shù)據(jù)自動地在電子地圖中顯示出來，結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、互聯(lián)網等計算機網絡為載體。在計算機技術、移動通信技術迅速發(fā)展的今天，把各種監(jiān)測數(shù)據(jù)信息通過通信網絡實時傳到監(jiān)控中心和定時傳給責任人，使相關責任人在任何時間、任何地點都能對煤礦安全情況了如指掌，將對煤礦安全生產管理有很大的促進作用。同時，對于地處偏遠的礦山，在計算機網絡資源有限的情況下，采用移動通信無線傳輸也很有必要和實際。

2.系統(tǒng)的組成及工作原理

2.1系統(tǒng)組成

基于ARM的GIS煤礦安全實時監(jiān)測系統(tǒng)主要包括三個部分：礦井端、GSM通信網絡、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模塊實現(xiàn)定位、無線傳輸;ARM控制模塊實現(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嵌入式設備，這個設備可以是幾個人共用，在下井工作之前只要輸入指紋驗證與其相關的個人信息，GIS中心數(shù)據(jù)庫中即可以準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?、風速等參數(shù)值，并把這些信息通過GSM通信網絡發(fā)送到GIS監(jiān)控中心，同時能夠隨時接收來自監(jiān)控中心的調度命令。

GSM通信網絡用來完成礦井端與GIS監(jiān)控調度中心之間的信息傳輸，采用現(xiàn)存的GSM移動信息系統(tǒng)的SMS短消息業(yè)務。

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

2.2系統(tǒng)工作原理

礦井端首先實時采集井下工作人員的動態(tài)位置(經度、緯度、高度)、時間、狀態(tài)，以及瓦斯?jié)舛?、風速、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行數(shù)據(jù)處理后，通過GSM模塊將這些信息實時的通過GSM移動通信網絡傳至GIS監(jiān)控中心，在具有強大地理信息處理、查詢功能的電子地圖上進行工作人員、以及所在位置的溫度、風速、壓力和瓦斯?jié)舛取⒁谎趸嫉臐舛鹊雀鞣N參數(shù)的準確定位和顯示，實現(xiàn)對這些參數(shù)的監(jiān)控、查詢，當某一參數(shù)超過確定的安全值時即進行報警，監(jiān)控中心則通過GPS移動通信網絡向礦井發(fā)送各種監(jiān)控、調度信號，消除各種隱患，確保煤礦安全生產。

3.礦井端硬件的設計

3.1 GPS模塊

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

考慮到大多數(shù)煤礦的實際情況，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GSM模塊來實現(xiàn)的，在煤礦實時監(jiān)測系統(tǒng)中采用GSM移動通信系統(tǒng)的短消息業(yè)務進行通信，短消息業(yè)務屬于GSM 數(shù)字移動通信系統(tǒng)電信業(yè)務，它具有隨時在線、不需要撥號、價格便宜、覆蓋范圍廣等特點，特別適合于需頻繁傳送小流量數(shù)據(jù)的應用，本模塊設計采用 SIEMENS的TC35i無線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，它是一個基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)，它的主要功能是進行數(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)行相應的操作。該系統(tǒng)包括CPU存儲器、I/O接口以及各種控制邏輯電路等。模塊設計首要的工作是對嵌入式處理器進行選擇。在一個系統(tǒng)中使用什么樣的嵌入式處理器內核主要取決于應用的領域、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核以后，接下來就是結合實際情況，考慮系統(tǒng)外圍設備的需求情況，選擇一款合適的處理器。結合目前煤煤礦實際情況，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分支，采用高性能的32位結構，具有高密度的16位指令集和低功耗的特點，系列將處理器內核與片內高速存儲器和多項外圍功能結合在一片微處理器上，為大量的計算機嵌入式控制應用提供了靈活的低成本的解決方案。

確定了各組成模塊后，接下來將各個模塊、設備與ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板使用相應的通信電纜連接起來，根據(jù)實際情況，再加上少量的外圍器件和電源模塊就可以構成硬件平臺進行礦井端的系統(tǒng)集成。各模塊間的關系如圖1所示。

4.礦井端的軟件設計

在礦井端中，位置信息的獲取、短消息的收發(fā)、內部數(shù)據(jù)的處理以及外圍控制設備的驅動都是在ARM芯片的統(tǒng)一控制下完成的，這就需要對嵌入式系統(tǒng)進行必要的編程，本系統(tǒng)基于μClinux操作系統(tǒng)，采用C語言進行編程。

4.1 μClinux開發(fā)環(huán)境的建立

為了實現(xiàn)基于μClinux的應用系統(tǒng)的開發(fā)，建立或擁有一個完備的μClinux開發(fā)環(huán)境是十分必要的?；?mu;Clinux操作系統(tǒng)的應用開發(fā)環(huán)境一般是由目標系統(tǒng)硬件開發(fā)板和宿主PC機所構成。目標硬件開發(fā)板用于運行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應用軟件，而目標板所用到的操作系統(tǒng)的內核編譯、應用程序的開發(fā)和調試則需要通過宿主PC機來完成。雙方之間一般通過串口，并口或以太網接口建立連接關系。

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)板帶有兩個串口，其中一個串口與GPS接收模塊連接，接收來自衛(wèi)星的位置信息，另一個串口與TC35i連接，將接收到的定位數(shù)據(jù)打包成短消息格式通過現(xiàn)有通信網絡發(fā)送出去，實現(xiàn)人員定位和監(jiān)控管理。整個系統(tǒng)的工作流程大致如下:系統(tǒng)加電進行復位后，自檢并初始化。 GPS模塊首次開機后會自動搜索星歷歷書等信息，接收到定位信息后，將我們所需要的經緯度等位置信息進行編解碼處理，打包成短消息的格式，通過TC35i 模塊發(fā)往用戶終端或總機，實現(xiàn)全球范圍內的定位和監(jiān)控管理。整個系統(tǒng)流程圖如圖2所示:

圖2　系統(tǒng)流程圖

5.結束語

基于ARM嵌入式技術的GIS煤礦安全實時監(jiān)測系統(tǒng)，主要是利用ARM的強大功能，結合GRP、GSM技術實現(xiàn)了礦井端的煤礦安全實時監(jiān)測，相對于傳統(tǒng)的采用8位單片機作為主控芯片的礦井端，其復雜監(jiān)控的功能更強，系統(tǒng)更靈活，適用性更好，同時具有更大可擴展性，對加強煤礦安全生產管理將具有一定的推動作用，社會效益和經濟效益良好。