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煤炭、石油等化石能源是我國能源供應(yīng)的主體，特別是煤炭在保障我國能源安全中，起著基礎(chǔ)性作用。在我國目前的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭仍占能源總量中的70%左右。 可見煤炭已成為支撐我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中堅力量，并且這一現(xiàn)狀在短時間內(nèi)不會有太大變化。
在我國最新制定的煤炭科技十二五發(fā)展規(guī)劃中，提出了“綠色開采與生態(tài)礦山”的概念，這就要求提高煤礦生產(chǎn)的安全和采礦區(qū)周邊環(huán)境的保護(hù)。雖然國家和企業(yè)已經(jīng)為了改善生產(chǎn)條件作了很大努力，但這依舊是一個沒有完全解決的問題。在我國煤炭生產(chǎn)中，不安全事故頻頻發(fā)生，對環(huán)境的破壞和因此導(dǎo)致的死亡事件也屢屢見諸報端。要解決這一現(xiàn)況，除了提高工人作業(yè)水平以外，必須要加大對礦井安全設(shè)備的投入。本此設(shè)計所選定的項目就是立足于實際，以促進(jìn)煤炭安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)為目標(biāo)?？梢杂行У臏p少礦井事故的發(fā)生，最大限度保證井下人員的安全和采礦區(qū)周邊環(huán)境的和諧。
結(jié)合我們對煤炭嚴(yán)峻形勢的認(rèn)識和本次大賽的主題，我們將選題方向煤礦安全生產(chǎn)集中監(jiān)控領(lǐng)域。本次設(shè)計對構(gòu)建和諧社會和可持續(xù)性發(fā)展社會將具有十分重要的意義。
1.2 項目背景/選題動機
煤礦在我國的國民生產(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用?，F(xiàn)在中國發(fā)電量的大部分來自于煤電，煤炭經(jīng)濟(jì)在我國GDP中占有很大比重，可以說煤一朝一夕都在影響著中國的每一個家庭的生活?？墒俏覀儾荒芎鲆暤氖?，在煤炭產(chǎn)業(yè)促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和GDP增長的同時，在煤炭生產(chǎn)中所產(chǎn)生的安全問題和對環(huán)境的破壞問題讓我們不得不去關(guān)注。
2005年3月9日，山西呂梁交城礦難，28人死亡
2006年2月1日晚上7時許，山西省晉城煤業(yè)集團(tuán)所屬寺河煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故，造成23名礦工死亡，另有53人一氧化碳中毒。
2007年03月06日湖南邵陽市邵東縣宏發(fā)煤礦在維修巷道時發(fā)生瓦斯爆炸，15人死亡。
2008年01月20日，山西臨汾市汾西縣煤礦發(fā)生炸藥爆炸，20人死亡。
2009年01月20日21時0分， 山西臨汾地區(qū)汾西縣永安鎮(zhèn)蔚家?guī)X村一非法私開煤礦窩點發(fā)生瓦斯爆炸，造成20人遇難。
……
當(dāng)然這只是列舉了一部分實例，這些驚心的實例時刻都在提醒我們煤炭安全生產(chǎn)的重要性。造成這一現(xiàn)象除了人為因素外，安全檢測設(shè)備的落后和不到位也是一個重要的原因。中國的許多煤礦企業(yè)在生產(chǎn)中，伴生著嚴(yán)重的資源、環(huán)境、安全等問題，如果這一問題得不到解決將影響長遠(yuǎn)發(fā)展，這與可持續(xù)性發(fā)展的理論是背道而馳的。據(jù)調(diào)查，全國的煤炭企業(yè)除46%的高突礦井外，大部分已進(jìn)入深水平開采，滲水、瓦斯、坍塌等已成為越來越大的安全隱患。增加新的高性能檢測設(shè)備成為解決煤礦安全問題的關(guān)鍵，同時考慮到很多中小心型煤礦企業(yè)的在安全設(shè)施方面的投入能力，開發(fā)出一套經(jīng)濟(jì)實惠，使用方便，安全高效的安全檢控設(shè)備成為當(dāng)今中國大多數(shù)煤炭企業(yè)的迫切需求。
采煤工作面作為整個采煤作業(yè)現(xiàn)場的第一工作區(qū)，容易發(fā)生瓦斯爆炸、漏水和冒頂?shù)仁鹿剩坏┌l(fā)生礦難不但會直接影響到采煤工人的生命安全，更可能會對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。因此，采煤工作區(qū)作為事故地帶，是構(gòu)成整個煤礦安全體系的最關(guān)鍵一環(huán)。如何保證采煤工作面的安全生產(chǎn)，一直是一個難以解決的嚴(yán)峻課題。
ATMEL公司的32位AVR嵌入式微處理器性能高、功耗低、價格適宜，特別是芯片內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)接口，簡化了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)的難度，它強大的數(shù)據(jù)處理能力為數(shù)字信號的處理提供了有力的支持，除此之外它還具有其它優(yōu)良的性能，成為完成本次設(shè)計的最佳選擇。本次設(shè)計擬采用基于AVR 32 AT32UC3A單片機控制器的EVK1100評估系統(tǒng)和開發(fā)系統(tǒng)為基礎(chǔ)開發(fā)平臺，結(jié)合套件本身所提供的資源，通過擴(kuò)展其它板卡實現(xiàn)設(shè)計中要求的全部功能。鑒于AVR以上的優(yōu)點，結(jié)合目前的煤礦采煤工作面的安全監(jiān)控存在的不足，設(shè)計一款基于32位嵌入式AVR微處理器的采煤工作面安全集中監(jiān)控系統(tǒng)，提供了一種新型嵌入式的方案，以達(dá)到進(jìn)一步提高采煤工作面的安全性和可靠性。
考慮到作品的實用性，除實現(xiàn)對采煤工作面的監(jiān)控以外，通過簡單的修改（設(shè)計本身支持這種裁剪和功能擴(kuò)成），本次設(shè)計成果也可以很容易的轉(zhuǎn)換到其它安全監(jiān)控領(lǐng)域，如其它采礦工作的安全監(jiān)控、家居安全的監(jiān)控、工廠生產(chǎn)車間安全生產(chǎn)和倉庫防盜的監(jiān)控、道路安全運營的監(jiān)控等等。
山東科技大學(xué)原名山東煤礦學(xué)院，對煤炭的生產(chǎn)和研究都有很長的歷史，在幾十年的發(fā)展中積累了豐富的經(jīng)驗，在煤炭研究領(lǐng)域建立了健全的體系。目前擁有國家級煤礦礦山災(zāi)害實驗室，在煤炭安全上從科研到開發(fā)，我校都走在了全國煤炭領(lǐng)域的前列。
同時我們嵌入式實驗2003年成立，積累了很多的有關(guān)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)驗，學(xué)校擁有眾多資深學(xué)者和教授，為中國煤炭事業(yè)和嵌入式的系統(tǒng)設(shè)計，發(fā)展培養(yǎng)了大量的人才。本次設(shè)計也得到有關(guān)老師的支持和鼓勵，同時通過向他們的請教，讓我們團(tuán)隊成員對這一系統(tǒng)的設(shè)計有了更加深刻的認(rèn)識。相信通過老師的指導(dǎo)和我們的努力我們一定能夠完成本次設(shè)計。
二、需求分析
2.1 功能要求
采煤工作面作為采煤工作的第一現(xiàn)場，那里的情況瞬時萬變，是整個井下安全體系中最關(guān)鍵的一環(huán)。本次設(shè)計將重點關(guān)注如何確保采煤工作面安全生產(chǎn)這一嚴(yán)峻問題。
保證生產(chǎn)過程安全所采取的措施中，除了增強工人自身安全意識外，另一個重要的因素就是完善基于各種監(jiān)控設(shè)備的預(yù)警系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。在影響采煤工作面安全的各種可檢測因素中，瓦斯?jié)舛?、頂板壓力、水位、粉塵濃度成為關(guān)鍵，同時為了便于地面監(jiān)控中心實時了解井下的工作場景，實時的現(xiàn)場畫面監(jiān)控也是必不不可少的。
綜上因素，本次設(shè)計要求能夠及時的，把采煤工作面頂板壓力、水位、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度等物理量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過嵌入式32位AVR微處理器處理后通過網(wǎng)絡(luò)及時上傳到位于地面上的監(jiān)控中心，便于安全監(jiān)察人員和生產(chǎn)調(diào)度部門觀察和抉擇。在緊急重大的情況下及時采取相關(guān)措施將危害降到最低。同時，也在現(xiàn)場把瓦斯?jié)舛?、頂板壓力、水位、粉塵濃實際的檢測的數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的判斷和處理，以實現(xiàn)在一定的范圍內(nèi)對以上參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)和自動控制，以達(dá)到提高現(xiàn)場工作效率和安全系數(shù)的目的。
2.2 性能要求
考慮到采煤工作面所在的特殊環(huán)境，要求所設(shè)計的產(chǎn)品能夠在這種特殊的環(huán)境下正常的運行。例如設(shè)計的低功耗性、防爆性、堅固性、和防潮絕緣性以及斷電保護(hù)等，而根據(jù)相關(guān)規(guī)定，凡是要應(yīng)用到煤礦井下的電氣設(shè)備，其防爆性能要求較高，要么是保安型的，要么是本安型的。而要想得到以上資質(zhì)，必須到相關(guān)煤礦防爆監(jiān)測站進(jìn)行有關(guān)的檢測，檢測通過后這些設(shè)備才能被用于井下作業(yè)。
針對本次設(shè)計大賽，由于受條件的限制，有關(guān)電氣設(shè)備的防爆等無法實現(xiàn)和模擬，只能從電氣設(shè)備的基本功能，結(jié)合嵌入式AVR微處理器的性能進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。
其它性能要求如下：
實時的采集采煤工作面的現(xiàn)場工作畫面并通過網(wǎng)絡(luò)向地面監(jiān)控中心傳輸。為了達(dá)到實時的目的，采集圖像的速率需最低為5幅/秒 ，同時為達(dá)到圖像能正常傳輸這一目的，對采集的圖像需要采取合適的壓縮算法。
頂板壓力、水位、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度等物理量數(shù)據(jù)采集的采樣頻率分別是 10秒，50秒，30秒，30秒。同時為了使采集的數(shù)據(jù)平滑，需要對采集的數(shù)據(jù)選擇合適的數(shù)字濾波算法進(jìn)行處理。
對采煤工作面頂板壓力，瓦斯，煤塵，水位等的控制，按照超過規(guī)定參數(shù)上限80%時，才采取自適應(yīng)調(diào)節(jié)和自動控制。通過自行處理調(diào)整控制，使其始終保持在規(guī)定參數(shù)上限80%以下。當(dāng)超過這些參數(shù)安全上限時開始報警并及時將相關(guān)信息上傳地面監(jiān)控中心。
為更好的實現(xiàn)對采煤工作面頂板壓力，瓦斯，煤塵，水位等規(guī)定參數(shù)的自動控制，采取PID數(shù)字控制算法。
三、方案設(shè)計
3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理
此次設(shè)計的系統(tǒng)功能示意圖如下圖3.1所示：
本次設(shè)計是以一個基于AVR32 AT32UC3A單片機控制器的EVK1100評估套件和開發(fā)系統(tǒng)為核心，再將各個功能模塊連接在一起，構(gòu)成的一個完整系統(tǒng)。
首先由各種傳感器采集信號，包括瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、粉塵濃度傳感器、壓力傳感器、井下水位傳感器和視頻采集模塊等采集到的信號，先進(jìn)行濾波、放大等處理，提取出其中有價值的信號，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以后成為便于處理的數(shù)字信號。為了提高信號的有效性和平滑度需對其進(jìn)行數(shù)字濾波。而圖像信號經(jīng)過JPEG壓縮算法處理以后可以通過網(wǎng)絡(luò)，傳遞給用于監(jiān)控的上位機。同時為了實現(xiàn)自動控制，對傳感器傳來的信號進(jìn)行PID算法處理。當(dāng)檢測到參數(shù)超出規(guī)定值以后，產(chǎn)生報警信號，并將這一信號傳寄給報警裝置和地面監(jiān)控中心，同時發(fā)出控制信號，這一信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和放大處理以后對相關(guān)電機等進(jìn)行控制，努力使相關(guān)參數(shù)恢復(fù)到正常范圍以內(nèi)。
通過在系統(tǒng)中增加網(wǎng)絡(luò)模塊，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的有效傳輸，同時實現(xiàn)讓任何接入到網(wǎng)絡(luò)中的主機設(shè)備通過驗證機制以后都可以訪問到下位機傳來的數(shù)據(jù)。為了統(tǒng)籌管理各個硬件模塊的工作和充分利用系統(tǒng)的資源，在下位機中嵌入小型的uC/OS-II操作系統(tǒng)，同時為各個硬件模塊開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序，以實現(xiàn)應(yīng)用層軟件對底層設(shè)備的調(diào)用。
本次設(shè)計所涉及到的主要技術(shù)包括：①各信號的周期型采集實現(xiàn)；②模擬信號的濾波等處理；③數(shù)字濾波算法的實現(xiàn)；④uC/OS-II操作系統(tǒng)的移植；⑤相關(guān)驅(qū)動模塊的開發(fā)；⑥lwip網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的嵌入；⑦自動閉環(huán)控制（PID算法）的實現(xiàn)；⑧JPEG圖像壓縮算法的實現(xiàn)。
3.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)與資源配置
3.2.1系統(tǒng)硬件組成分析
系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3.2所示：
根據(jù)本次大賽的要求，考慮到本次設(shè)計對功能的要求以及其使用環(huán)境的特殊性，本次設(shè)計選用ATMEL公司的AVR 32 AT32UC3A芯片。這款芯片的指令集為緊湊型單周期RISC指令集，并且集成DSP指令集，具有很強的數(shù)據(jù)運算處理能力，并兼具高性能、低功耗等特點。完全能夠滿足本次設(shè)計所要求的性能穩(wěn)定、功耗低等要求。為了充分利用系統(tǒng)的資源和發(fā)掘該款芯片的潛能，實現(xiàn)多任務(wù)的控制，在其中嵌入了實時性強可靠性高的操作系統(tǒng)uC/OS-II 。
在硬件的整體設(shè)計方面，主要分為四個部分，以各種傳感器和畫面采集器為中心的數(shù)據(jù)采集模塊，以濾波整形電路為主的模擬信號處理模塊，以MCU為中心的數(shù)字信號（數(shù)據(jù)）處理模塊，和以地面上位機為中心的數(shù)據(jù)顯示存儲和處理模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)信號的不同處理方式又可以分為兩類，以各種傳感器為中心的信號采集模塊和以攝像頭為中心的現(xiàn)場畫面采集模塊。
給系統(tǒng)上電以后，首先運行系統(tǒng)自檢程序，確認(rèn)各個功能模塊正常以后，系統(tǒng)進(jìn)入正常運行模式。通過定時裝置和給定的初始參數(shù)，系統(tǒng)依次選通各個信號采集模塊。各個傳感器和畫面采集器將采集到得模擬信號經(jīng)過處理以后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后提交給MCU。MCU根據(jù)預(yù)設(shè)計的程序處理各種信號，然后將處理好的信號傳送到地面信息監(jiān)控中心和系統(tǒng)本身自帶的控制模塊。
這里以瓦斯控制為例，采煤工作面的上隅角往往是瓦斯?jié)舛茸罡叩牡胤?，可以通過在上隅角放置瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎瑢崟r的檢測那里的瓦斯?jié)舛?，從而保證工作環(huán)境的正常和采煤區(qū)周邊環(huán)境的安全。系統(tǒng)采集到經(jīng)過模擬信號處理和A/D轉(zhuǎn)換以后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理以后，將結(jié)果發(fā)往地面控制中心和系統(tǒng)自帶的控制模塊。系統(tǒng)自帶控制模塊根據(jù)需要適時自適用的控制通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，將瓦斯的濃度控制在一個合理的范圍，同時系統(tǒng)本身也可以接受地面控制中心發(fā)來的控制信息，對通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)和控。
考慮到實際的需要和處理器本身的處理能力，以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸壓力。這里沒有采用實時視頻傳輸?shù)姆桨?，轉(zhuǎn)而采用既能滿足對進(jìn)行狀況的實時監(jiān)測又能充分利用系統(tǒng)資源減小功耗的方案：通過采集畫面的方式到達(dá)實時監(jiān)控的目的。例如可以在規(guī)定的時間內(nèi)多次采集采煤工作面現(xiàn)場的畫面（例如5幀/s），然后將采集到得畫面進(jìn)行圖像壓縮處理，將處理后的數(shù)據(jù)上傳到位于地面的控制中心，在顯示器上顯示出采煤工作面的畫面，從而實現(xiàn)對井下采煤工作面的監(jiān)控。
通過將采集處理以后的數(shù)據(jù)實時的傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，存儲?u>數(shù)據(jù)庫?？蒲腥藛T調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行分析，從中總結(jié)規(guī)律，從而找到更好的更安全的作業(yè)方案，進(jìn)而更好的保護(hù)人員的安全和采煤區(qū)環(huán)境的穩(wěn)定。
3.2.2板卡選用說明
由于ATMEL公司生產(chǎn)的以AVR（R）32 UC內(nèi)核為基礎(chǔ)的EVK1100平臺，其MCU支持３２位精簡指令集（RISC），擁有512K字節(jié)閃存， 并擁有一個內(nèi)置的10/100以太網(wǎng)媒體接入控制器（MAC），有一個SRAM/SDRAM外部總線接口，而它主頻最高可達(dá)66MHz頻率，而且還提供有完整的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。可以對其直接進(jìn)行程序的燒寫。此外板上還配備了LED矩陣，顯示模塊和足夠多的外聯(lián)接口等豐富資源。正是由于它具有的這些特點，可以很好的滿足本此設(shè)計的各個需求。通過在32位AVR MCU上移植優(yōu)秀的小型uC/OS-II系統(tǒng)，使得整個系統(tǒng)的資源得到更好的使用。
并且通過板上豐富的外接接口，可以與自制的板卡進(jìn)行連接，進(jìn)而進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能，例如針對各種被檢信號的傳感器，現(xiàn)場畫面采集器、通風(fēng)電機、井下壓力自動報警裝置、控制攝像頭轉(zhuǎn)動等，都可以通過接口與系統(tǒng)結(jié)合在一起。而且該平臺自帶以太網(wǎng)接口，可以方便的接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枰?，同時通過一定的保密機制，可以通過任何一臺接入網(wǎng)絡(luò)的電腦實時的訪問井下的監(jiān)控系統(tǒng)，便于遠(yuǎn)程監(jiān)控的專家的指導(dǎo)。
3.2.3系統(tǒng)器件使用清單
針對整個設(shè)計作品資源的分配，可以參見表3.2中的器件使用清單。
表3.2 器件使用清單
器件名稱
用途
數(shù)量
器件名稱
用途
數(shù)量
EVK1100板
處理中心
1
攝像頭
截取圖像
1
云臺
控制攝像頭轉(zhuǎn)動
1
電腦
存儲/顯示
1
電機
模擬通風(fēng)機
1
報警器
發(fā)出警告信息
1
瓦斯傳感器
檢測瓦斯?jié)舛?/p>
若干
水位傳感器
檢測水位高度
若干
壓力傳感器
檢測壓力變化
若干
粉塵傳感器
檢測粉塵濃度
若干
電源
提供電壓
1
網(wǎng)線
傳輸信號
若干
3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)
系統(tǒng)的軟件總體架構(gòu)如圖3.3所示：
如圖3.3所示，根據(jù)工作平臺的不同，我們可以將軟件的設(shè)計從總體上分為兩部分，第一部分主要是在下位機中嵌入了小型操作系統(tǒng)uC/OS-II的工作平臺，第二部分是運行WindowXP操作系統(tǒng)上位機的工臺中以在下位機平臺上的系統(tǒng)開發(fā)為主。
在下位機工作平臺上，與3.1中硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的，我們又可以將軟件系統(tǒng)細(xì)分為四部分。這四部分分別為信號采集模塊、信號處理模塊、控制模塊和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊。在信號采集模塊主要完成的功能為信號的選通，即在約定的時間周期內(nèi)依次處理各個傳感器或圖像采集器傳遞過來的數(shù)據(jù)；如3.1中所述，這里的信號處理模塊也分為兩部分：圖像信號處理作為單獨的一部分；瓦斯?jié)舛刃盘?、頂板壓力信號、粉塵濃度信號和井下水位信號的處理方法類似，所以把它整體看作一部分；電機控制模塊主要包括通風(fēng)電機控制模塊和攝像頭的云臺控制模塊；在網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊主要完成數(shù)據(jù)的上下傳輸，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等功能。實現(xiàn)各個功能模塊的程序通過uC/OS-II進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度。通過給底層硬件開發(fā)驅(qū)動程序，對上層軟件屏蔽器件的差距，方便應(yīng)用層各功能模塊程序的實現(xiàn)，和通過操作系統(tǒng)提供的接口對最底層硬件的控制。
在上位機工作平臺上，借用上位機的顯示設(shè)備和海量的存儲空間，可以在基于微軟的操作系統(tǒng)平臺WindowsXP上開發(fā)出許多優(yōu)良的軟件并實現(xiàn)對從下位機傳來的數(shù)據(jù)的存儲。為了更好便于監(jiān)控中心人員的查看，可以通過圖形界面程序的設(shè)計增強人機的交互性和可觀性。同時除了數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲和傳遞控制參數(shù)以外，還可以通過程序設(shè)計，調(diào)用存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行分析，進(jìn)一步挖掘潛藏在數(shù)據(jù)中的信息，從其中總結(jié)規(guī)律，為以后的安全工作產(chǎn)生工作提供重要數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高井下工作的安全性和對周邊生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。
在這里給出的僅是系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)框圖，重要模塊的程序?qū)崿F(xiàn)流程將在3.4中闡述。
3.4 系統(tǒng)軟件流程
根據(jù)3.3的分析，在軟件的設(shè)計方面，主要分為下位機和上位機兩個部分。嵌入式系統(tǒng)（下位機）與通用型計算機系統(tǒng)（上位機）相比具有很多不同點，首先嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定用戶群而進(jìn)行設(shè)計的，通常具有低功耗、體積小、集成度高等特點，再次嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，同時嵌入式系統(tǒng)本身一般不具備開發(fā)能力。因此嵌入式系統(tǒng)和通用計算機系統(tǒng)在軟件設(shè)計和實現(xiàn)方面存在許多差異。下面我們將分別闡述在下位機和上位機上運行的各主要功能模塊的設(shè)計流程，其中以下位機的講解為主。
3.4.1 uC/OS-II 系統(tǒng)控制模塊
在下位機上，為了充分利用系統(tǒng)的資源，嵌入了一個成熟、開源的嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-II 。在本次設(shè)計中，uC/OS-II 的主要功能如圖3.4.1所示：
uC/OS-II是有美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean.J.Labrosse編寫的一款源代碼開放的實時嵌入式系統(tǒng)。與其他嵌入式操作系統(tǒng)系統(tǒng)相比，除具有源代碼開放的有點外，他的可移植性強、功能相對強大，而且其穩(wěn)定性與可靠性很高，因此本次設(shè)計選用這一款操作系統(tǒng)。
系統(tǒng)上電以后先運行自檢程序，如果系統(tǒng)的功能模塊出現(xiàn)異常，則產(chǎn)生報警信號，為了避免因發(fā)出聲音警報可能造成的恐慌，本次設(shè)計通過EVK1100自帶的LED燈陣列來提示異常，工作人員可以通過LED燈陣列顯示的不同信號快速的查詢到問題的所在點，及時的排除問題。
待判斷系統(tǒng)各功能模塊運行正常以后啟動uC/OS-II。uC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)管理、時間處理、任務(wù)同步與通信和CPU移植等五個部分。在本次設(shè)計中，這五個部分都將涉及到。如圖3.4.1所示，uC/OS-II正常啟動以后，開始執(zhí)行任務(wù)調(diào)度、任務(wù)同步、內(nèi)存管理和時間管理等功能模塊。其中網(wǎng)絡(luò)通信功能在uC/OS-II中并沒有提供，需要自己移植相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。在本次設(shè)計中，我們選擇在uC/OS-II中移植lwip來實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。
lwip是瑞典計算機科學(xué)院的一個開源的TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)，lwip是一個輕型的IP協(xié)議，有無操作系統(tǒng)的支持都可以運行，其對內(nèi)存的需求并不高，差不多幾百字節(jié)的RAM和40K左右的ROM就可以運行，這使lwip協(xié)議棧適合在低端的嵌入式系統(tǒng)中使用。因此lwip可以很好的滿足本次設(shè)計的對網(wǎng)絡(luò)功能的需求。
3.4.2信號處理模塊的軟件設(shè)計流程
根據(jù)信號的特征和信號處理的方式，這一模塊的實現(xiàn)主要可以分為兩大部分：第一部分為對傳感器傳來信號的處理，它們的信號處理流程相似，我們一瓦斯信號的處理流程做例進(jìn)行詳解；第二部分為圖像信號處理模塊，不同于前面所提到的信號的處理方式，其設(shè)計到圖像采集和壓縮等問題，因此我們將其實現(xiàn)流程單獨講解。
3.4.2.1非圖像信號處理軟件設(shè)計
（1）PID算法介紹
為了將瓦斯?jié)舛染S持在一個正常的水平，要求系統(tǒng)能夠接受地面控制中心的控制參數(shù)對通風(fēng)電機進(jìn)行控制，同時為了體現(xiàn)靈活性，要求系統(tǒng)在平時能夠自我調(diào)控，減少人的工作量。本次設(shè)計選用PID控制器實現(xiàn)平時系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)。系統(tǒng)能夠根據(jù)瓦斯的濃度自動調(diào)節(jié)通風(fēng)電機的轉(zhuǎn)速，同時又能保證在緊急時刻將控制權(quán)交給地面控制中心。PID算法控制原理如圖3.4.2.1-1所示：
PID是比例、積分、微分的縮寫，將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進(jìn)行控制，這樣的控制器就稱為PID控制器。本次設(shè)計之所以選擇PID控制器，主要是考慮到PID具有以下優(yōu)點：技術(shù)成熟、易被人們熟悉和掌握、不需要建立數(shù)學(xué)模型、控制效果好。
如圖3.4.2.1-1所示，該系統(tǒng)有模擬PID控制器和被控對象組成。圖中，r（t）是給定值，y（t）是系統(tǒng)的實際輸出值，給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差e（t），有e（t）=r（t）-y（t）。e（t）作為PID控制器的輸入，u（t）作為控制器的輸出和被控對象的輸入。
模擬PID控制器的控制規(guī)律為：
式3.4.2.1
其中：y（t） ——調(diào)節(jié)器的輸出信號；
e（t） ——調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于給定值與測量值之差；
KP ——調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；
TI ——調(diào)節(jié)器的積分時間；
TD——調(diào)節(jié)器的微分時間。
在式3.4.2.1中，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間做出快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出。在控制的過程中，只要有偏差存在，積分環(huán)節(jié)的輸出就會不斷增大。直到偏差e（t）=0，輸出的u（t）才可能維持在某一常量，是系統(tǒng)在給定值r（t）不變的條件下趨于穩(wěn)態(tài)。微分環(huán)節(jié)的作用是組織偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢（變化速度）進(jìn)行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變化之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減少超調(diào)量，克服震蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。
（2）瓦斯控制模塊程序流程
瓦斯控制模塊的流程如如圖3.4.2.1-2所示：
本程序在采樣時刻到達(dá)以時，才會打開相關(guān)信號通道，在本模塊中先采集瓦斯?jié)舛刃盘?，然后程序運行。
為了保證所設(shè)計產(chǎn)品的實用性和靈活性，允許其根據(jù)實際需要，因使用環(huán)境的不同或其它一些因素調(diào)節(jié)相應(yīng)的初始參數(shù)。在程序的每次運行的開始都要檢測是否有修改參數(shù)的請求，若有則保存修改后的參數(shù)，然后采集經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的瓦斯?jié)舛刃盘枴Ｍㄟ^數(shù)字信號濾波以后，將有用的信號傳寄給PID控制單元，并通過網(wǎng)絡(luò)模塊上傳到上位機。
數(shù)字濾波具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點。常用的數(shù)字濾波方法有算數(shù)平均值濾波、中位值濾波、慣性濾波、加權(quán)平均值濾波和限幅濾波。從實際需要，本次設(shè)計采用的是算數(shù)平均值濾波。公式如下所示：
算數(shù)平均值濾波可以對周期脈動的采樣值進(jìn)行平滑加工。可以提高本次設(shè)計所采集數(shù)據(jù)的精確度。
（3）自動閉環(huán)過程控制模塊框圖
自動閉環(huán)控制過程如圖3.4.2.1-4所示
PID算法的基本概念已經(jīng)在（1）中介紹過，如圖3.4.2.1-4整個過程為一個閉環(huán)控制。通過瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測到的濃度信號，經(jīng)過模擬信號處理電路以后過濾掉干擾信號，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為便于MCU處理的數(shù)字信號。為了提高測量的精確度需要對數(shù)字信號進(jìn)行濾波處理。經(jīng)過數(shù)字濾波處理后，進(jìn)入PID控制單元，控制信息經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后成為模擬信號，為了對執(zhí)行機構(gòu)形成有力的驅(qū)動需要對其進(jìn)行放大，因此添加了功率放大模塊。這里執(zhí)行機構(gòu)主要指電機等電氣設(shè)備，通過對其控制將被控對象（瓦斯）等控制在一個合理的范圍，同時起到整體減少功耗的目的。
針對PID控制模塊的程序?qū)崿F(xiàn)，如圖3.4.2.1-3所示。在本模塊程序運行之前先要檢測是否有來自于上位機的控制信號，若有，在跳過PID運算模塊直接對被控量進(jìn)行控制，否則，通過采集到得相關(guān)數(shù)據(jù)，自動的計算出用于PID運算的相關(guān)參數(shù)，然后利用這些參數(shù)進(jìn)行PID運算，并產(chǎn)生信號量對被控端進(jìn)行控制，努力使環(huán)境變量維持在正常水平。例如瓦斯?jié)舛冗^高則加大通機轉(zhuǎn)速，如瓦斯?jié)舛日＞S持通風(fēng)機速率不變，若瓦斯?jié)舛群艿涂梢赃m度的降低通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速以減小功耗。此外通過檢測e（t）的大小判斷瓦斯?jié)舛仁欠癯^正常值，若超過則產(chǎn)生報警信號。
3.4.2.2 圖像信號處理
為了更快更好的網(wǎng)絡(luò)中的傳輸圖像，需要對采集到的信號進(jìn)行壓縮處理，壓縮后的圖像在保持不失真的情況下，可以降低網(wǎng)絡(luò)流量，加快傳輸速度。
在綜合考慮對采集到的圖像信號進(jìn)行處理可以選用的各種算法后，我們最后決定選用JPEG圖像壓縮算法。通過JPEG圖片壓縮算法能夠?qū)⑺杉降脠D像壓縮成可以滿足需求的數(shù)據(jù)格式，而且考慮到JPEG格式是使用最廣泛的圖片格式，它采用的是特殊的壓縮算法，將不易被人眼察覺的圖像顏色刪除，從而達(dá)到較大的壓縮比（可達(dá)到2:1甚至40:1），有“身材嬌小，容貌姣好”的美稱，同時其算法在本次有限資源的開發(fā)平臺中可以得以實現(xiàn)，因此本次設(shè)計選用JPEG壓縮算法。
如圖3.4.2.2-1所示，其所表達(dá)的是JPEG編碼的整個工作方式的原理圖，其流程主要為①色彩空間轉(zhuǎn)換及采樣，②正向離散余弦變化（FDCT）， ③量化（QuanTIzaTIon），④直流系數(shù)（dc）的差分編碼、直流系數(shù)（ac）的zig-zag掃描及行程編碼，⑤熵編碼（Entropy Coding）。
如圖3.4.2.2-2所示，為圖像處理模塊的整體流程圖。定時周期到達(dá)后，系統(tǒng)每次調(diào)用本程序模塊運行時都要先查看是否有來自上位機的控制云臺轉(zhuǎn)動的消息。如有則根據(jù)其參數(shù)將攝像頭轉(zhuǎn)動到合適的角度，然后再進(jìn)行現(xiàn)場畫面的采集。系統(tǒng)每隔一段時間就采集一次經(jīng)模擬信號處理單元處理以后再經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換后的圖片數(shù)據(jù)。然后將相關(guān)數(shù)據(jù)傳寄到圖片壓縮模塊，實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的編碼處理。這樣使得圖像的數(shù)據(jù)更小、更容易在信道上傳播、也方便對圖像的保存和查看。經(jīng)壓縮編碼處理后的圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊送至上位機，上位機通過相應(yīng)的JPEG解碼程序就可以實現(xiàn)對壓縮圖片的正常顯示，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲以備以后查詢。整個JPEG圖像壓縮算法的具體實現(xiàn)流程參見圖3.4.2.2-3。
3.4.3上位機主要功能模塊的軟件實現(xiàn)
在上位機的各功能模塊中，主要的功能模塊就是對數(shù)據(jù)的分析和顯示。其程序流程框圖如圖3.4.3所示：
程序正常運行以后，在平時的工作模式下（大多數(shù)時間內(nèi)）系統(tǒng)僅是接收來自下位機的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中并在屏幕上顯示出來便于地面監(jiān)控中心工作人員的查看。同時也可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將結(jié)果在屏幕上顯示出來。
如果下位機傳來的是報警信號，則系統(tǒng)除了存儲和顯示相關(guān)信息外，還會啟動地面緊急報警裝置，提醒監(jiān)控中心的人員井下發(fā)生緊急狀況，可以讓相關(guān)人員及時采取措施，將可能造成的危害降到最小。
當(dāng)程序檢測到有控制信號產(chǎn)生以后，立即通過網(wǎng)絡(luò)給下位機發(fā)送強制控制信號，指導(dǎo)下位機完成控制動作。實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的作用。
3.5 系統(tǒng)預(yù)計實現(xiàn)結(jié)果
根據(jù)前面得分析，本次設(shè)計能夠成功的實現(xiàn)預(yù)定的功能，且滿足相關(guān)的性能要求。最終所完成的作品能夠及時的對瓦斯?jié)舛?、頂板壓力、粉塵濃度、水位和現(xiàn)場畫面等信息進(jìn)行采集，并且經(jīng)過相應(yīng)的針對各種信息的成型模塊處理以后，將結(jié)果實時傳輸?shù)轿挥诘孛娴谋O(jiān)控中心。而且根據(jù)某些特殊需求，其它連接在網(wǎng)絡(luò)上的通過驗證的主機也可以獲得這些信息。當(dāng)檢測到得信號出現(xiàn)異常時，例如超出某個根據(jù)實際情況預(yù)設(shè)的范圍后，系統(tǒng)本身除自我調(diào)控以外還能夠及時的發(fā)出報警信息，提醒井下工作人員立即撤離，并由監(jiān)控中心的工作人員及時做出部署，盡量將損失盡量降低到最低。
上位機程序的運行預(yù)期界面如下圖所示：
