1.引言

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(yán)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(chǎn)的嚴(yán)峻形勢和提高煤礦安全生產(chǎn)的必要性和緊迫性。在計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)高速發(fā)展的同時，應(yīng)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(fēng)量、設(shè)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(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)等計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為載體。在計算機(jī)技術(shù)、移動通信技術(shù)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(wǎng)絡(luò)實時傳到監(jiān)控中心和定時傳給責(zé)任人，使相關(guān)責(zé)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(chǎn)管理有很大的促進(jìn)作用。同時，對于地處偏遠(yuǎn)的礦山，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(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(shè)備，這個設(shè)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(guān)的個人信息，GIS中心數(shù)據(jù)庫中即可以準(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GSM通信網(wǎng)絡(luò)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(diào)度命令。

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

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(shè)備狀態(tài)等信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息對相應(yīng)的設(shè)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(jīng)度、緯度、高度)、時間、狀態(tài)，以及瓦斯?jié)舛?、風(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GSM模塊將這些信息實時的通過GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)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(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?、一氧化碳的濃度等各種參數(shù)的準(zhǔn)確定位和顯示，實現(xiàn)對這些參數(shù)的監(jiān)控、查詢，當(dāng)某一參數(shù)超過確定的安全值時即進(jìn)行報警，監(jiān)控中心則通過GPS移動通信網(wǎng)絡(luò)向礦井發(fā)送各種監(jiān)控、調(diào)度信號，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

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(biāo);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(jìn)行準(zhǔn)確的定位。為了方便，GPS模塊設(shè)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(wù)進(jìn)行通信，短消息業(yè)務(wù)屬于GSM 數(shù)字移動通信系統(tǒng)電信業(yè)務(wù)，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(yīng)用，本模塊設(shè)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(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存儲器、I/O接口以及各種控制邏輯電路等。模塊設(shè)計首要的工作是對嵌入式處理器進(jìn)行選擇。在一個系統(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，接下來就是結(jié)合實際情況，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(jié)構(gòu)，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(nèi)核與片內(nèi)高速存儲器和多項外圍功能結(jié)合在一片微處理器上，為大量的計算機(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，接下來將各個模塊、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，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(gòu)成硬件平臺進(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

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(jìn)行必要的編程，本系統(tǒng)基于μClinux操作系統(tǒng)，采用C語言進(jìn)行編程。

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4.1 μClinux開發(fā)環(huán)境的建立

為了實現(xiàn)基于μClinux的應(yīng)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(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)試則需要通過宿主PC機(jī)來完成。雙方之間一般通過串口，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(wǎng)絡(luò)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(jìn)行復(fù)位后，自檢并初始化。 GPS模塊首次開機(jī)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(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TC35i 模塊發(fā)往用戶終端或總機(jī)，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)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(jié)束語

基于ARM嵌入式技術(shù)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(jié)合GRP、GSM技術(shù)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(jī)作為主控芯片的礦井端，其復(fù)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(kuò)展性，對加強煤礦安全生產(chǎn)管理將具有一定的推動作用，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益良好。