煤礦監(jiān)控系統(tǒng)嵌入式智能監(jiān)控技術(shù)與設(shè)備研究

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摘  要：  針對(duì)高可靠性快速反應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展需要，本文論述了煤礦監(jiān)控系統(tǒng)嵌入式智能監(jiān)控技術(shù)及其設(shè)備的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下數(shù)據(jù)、圖像及多媒體信息實(shí)時(shí)寬帶傳輸，為下一代高可靠性快速反應(yīng)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)提供技術(shù)支持，保障煤礦的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：  嵌入式；智能監(jiān)控技術(shù)；監(jiān)控系統(tǒng)   1  嵌入式視頻攝像儀傳輸裝備 嵌入式智能監(jiān)控技術(shù)可以將煤礦井下數(shù)據(jù)、圖像及語音多媒體信息實(shí)時(shí)寬帶傳輸，利用嵌入式技術(shù)、32位嵌入式微處理器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、專用H.264視頻圖像壓縮及解壓縮芯片技術(shù)、視頻流網(wǎng)絡(luò)TCP/IP通訊技術(shù)等、開發(fā)了專門的嵌入式攝像儀圖像聲音傳輸設(shè)備。 1.1  電路設(shè)計(jì) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的發(fā)展，圖像監(jiān)控也由模擬視頻監(jiān)控向數(shù)字視頻監(jiān)控發(fā)展。因此，嵌入式視頻攝像儀必須將其數(shù)字化。但模擬視頻圖像和語音信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)量特別大，直接進(jìn)行傳輸將占用相當(dāng)高的帶寬，也必須進(jìn)行壓縮處理，減少數(shù)據(jù)量。而視頻壓縮數(shù)據(jù)流的傳輸采對(duì)用礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸和解壓。嵌入式視頻攝像儀將其進(jìn)行數(shù)字化，每臺(tái)嵌入式視頻攝像儀對(duì)應(yīng)1個(gè)唯一的IP地址。視頻流信息支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、廣播和組播。嵌入式視頻攝像儀原理如圖1。   1.2  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 考慮到煤礦使用環(huán)境特點(diǎn)，嵌入式視頻攝像儀采用分體式結(jié)構(gòu)，上部主機(jī)電路設(shè)計(jì)為本安電路，所需輸入電源為本安電源。機(jī)箱設(shè)計(jì)主要考慮防塵防潮方面的特點(diǎn)；下部電源電路采用本安膠封設(shè)計(jì)，輸出各路電源通過本安處理，以滿足其本安特性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為隔爆型外殼。 2  支持寬帶接入技術(shù)的監(jiān)控分站開發(fā) 2.1  電路設(shè)計(jì) 對(duì)于寬帶快速反應(yīng)煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，其主要監(jiān)控分站也應(yīng)支持寬帶接入能力，同時(shí)應(yīng)具有采集多信息的能力，因此電路設(shè)計(jì)構(gòu)架采用高性能的處理技術(shù)。分站以單片微處理器為主要部件，具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、顯示、斷電控制、紅外遙控及遠(yuǎn)距離通訊等功能?？梢赃B續(xù)監(jiān)測(cè)礦井的各種環(huán)境參數(shù)及設(shè)備開停狀態(tài)，如瓦斯、風(fēng)速、一氧化碳、負(fù)壓等，分站和地面監(jiān)控中心站可進(jìn)行雙向通訊，及時(shí)將監(jiān)測(cè)到的各種環(huán)境參數(shù)、生產(chǎn)狀態(tài)傳送給地面中心站，并執(zhí)行中心站發(fā)送的各種命令。 該設(shè)備是專為研究其接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)平臺(tái)技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)，為了適用煤礦特殊環(huán)境，將監(jiān)控分站根據(jù)容量大小設(shè)計(jì)為大中型二種系列（兩種分站的電路和程序完全相同，唯一區(qū)別是傳感器輸入通道數(shù)量有一定的差異）。由于分站功能多，處理任務(wù)繁重，實(shí)時(shí)性要求高。同時(shí)，既要與地面監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊，又要與總線型智能傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，由單片微處理器已不能勝任。因此，設(shè)計(jì)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，兩塊CPU之間以雙端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 監(jiān)控分站由一個(gè)以高性能單片機(jī)CPU為核心的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集、顯示、控制、存儲(chǔ)、紅外遙控、通訊、看門狗等主要功能電路組成。主要通過主板、通訊板和引線板3塊電路板形成有機(jī)整體。其中主板為主控電路；通訊板用于與地面中心站的數(shù)據(jù)通訊；引線板用于分站與外部接線的連接。如圖2。   2.2  軟件設(shè)計(jì) 監(jiān)控分站的通訊軟件必須同樣支持兩種通訊方式，監(jiān)控軟件根據(jù)通訊方式不同，開發(fā)了適應(yīng)多主并發(fā)通訊的寬帶TCP/IP通訊軟件程序和適應(yīng)總線通訊方式的分站監(jiān)控程序。但兩種程序除了數(shù)據(jù)通訊部分程序有區(qū)別外，其他分析、處理、顯示、控制程序完全一樣。監(jiān)控分站主程序由初始化程序、主循環(huán)分析處理顯示控制程序、數(shù)據(jù)通訊程序組成。數(shù)據(jù)通信程序又分為3部分：通訊初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。通訊初始化程序放在主程序開始部分，而數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收采用中斷方式，以提高程序運(yùn)行效率。監(jiān)控分站軟件開發(fā)工具采用高效的C51語言進(jìn)行編程開發(fā)。 2.3  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 分站工作電源，由其配套的電源箱提供，分站與電源采用組合設(shè)計(jì)，使用中既可分體，也可一體。上部主機(jī)電路設(shè)計(jì)為本安電路，所需輸入電源為本安電源。機(jī)箱設(shè)計(jì)主要考慮防塵防潮方面的特點(diǎn)，外殼結(jié)構(gòu)采用箱體、翻蓋式結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)防塵、防水槽和電纜連接保護(hù)翼，使外殼結(jié)構(gòu)美觀、牢固，易于維護(hù)。下部電源箱電路采用隔爆設(shè)計(jì)，輸出各路電源通過本安處理，以滿足其本安特性。 2.4  主要性能 監(jiān)控分站的主要性能有：能對(duì)多通道、多種制式的傳感器信號(hào)進(jìn)行采集；具有獨(dú)立的超限判別，并進(jìn)行斷電的功能；能通過遙控器，對(duì)分站進(jìn)行預(yù)置，可脫機(jī)使用；能接受地面中心站的各種控制命令，進(jìn)行相應(yīng)的工作；能向地面中心站發(fā)送分站采集的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信號(hào)；分站電源箱帶備用電池，當(dāng)交流電網(wǎng)斷電時(shí)，采用備用電池供電，可保證分站連續(xù)至少工作2小時(shí)；分站具有紅外遙控設(shè)置功能，可就地進(jìn)行手動(dòng)初始化設(shè)置；為傳感器提供最多八路18V/360mA的本質(zhì)安全性電源；分站工作12V/200mA；符合礦井環(huán)境需要，耐壓、耐腐蝕、防潮和密封?！　　　?3  結(jié)論 我國煤礦監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)完成了引進(jìn)、吸收、自主開發(fā)的過程，但是，我國監(jiān)控系統(tǒng)缺乏高速、可靠的系統(tǒng)平臺(tái)，監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度慢，故障率高，監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)水平與安全生產(chǎn)要求之間還存在著較大的差距。本論論述的嵌入式智能監(jiān)控技術(shù)被用于新一代的監(jiān)控系統(tǒng)中，開發(fā)了智能監(jiān)控分站，使其適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)+CANBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的大容量、寬帶信息光纖傳輸要求，使監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖像及語音多媒體信息實(shí)時(shí)寬帶傳輸，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的反應(yīng)速度及可靠度，為煤礦安全生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的保障。