煤矿监控系统嵌入式智能监控技术与设备研究

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摘  要：  针对高可靠性快速反应监控系统的发展需要，本文论述了煤矿监控系统嵌入式智能监控技术及其设备的研发，实现了煤矿井下数据、图像及多媒体信息实时宽带传输，为下一代高可靠性快速反应煤矿监控系统开发提供技术支持，保障煤矿的安全生产。

关键词：  嵌入式；智能监控技术；监控系统   1  嵌入式视频摄像仪传输装备 嵌入式智能监控技术可以将煤矿井下数据、图像及语音多媒体信息实时宽带传输，利用嵌入式技术、32位嵌入式微处理器、实时操作系统、专用H.264视频图像压缩及解压缩芯片技术、视频流网络TCP/IP通讯技术等、开发了专门的嵌入式摄像仪图像声音传输设备。 1.1  电路设计 随着计算机技术和数据通讯技术的发展，图像监控也由模拟视频监控向数字视频监控发展。因此，嵌入式视频摄像仪必须将其数字化。但模拟视频图像和语音信号经A/D转换后，数据量特别大，直接进行传输将占用相当高的带宽，也必须进行压缩处理，减少数据量。而视频压缩数据流的传输采对用矿井工业以太环网平台进行实时传输和解压。嵌入式视频摄像仪将其进行数字化，每台嵌入式视频摄像仪对应1个唯一的IP地址。视频流信息支持点对点、广播和组播。嵌入式视频摄像仪原理如图1。   1.2  结构设计 考虑到煤矿使用环境特点，嵌入式视频摄像仪采用分体式结构，上部主机电路设计为本安电路，所需输入电源为本安电源。机箱设计主要考虑防尘防潮方面的特点；下部电源电路采用本安胶封设计，输出各路电源通过本安处理，以满足其本安特性。结构设计为隔爆型外壳。 2  支持宽带接入技术的监控分站开发 2.1  电路设计 对于宽带快速反应煤矿监测监控系统，其主要监控分站也应支持宽带接入能力，同时应具有采集多信息的能力，因此电路设计构架采用高性能的处理技术。分站以单片微处理器为主要部件，具有数据采集、存储、处理、显示、断电控制、红外遥控及远距离通讯等功能。可以连续监测矿井的各种环境参数及设备开停状态，如瓦斯、风速、一氧化碳、负压等，分站和地面监控中心站可进行双向通讯，及时将监测到的各种环境参数、生产状态传送给地面中心站，并执行中心站发送的各种命令。 该设备是专为研究其接入工业以太环网平台技术开发设计，为了适用煤矿特殊环境，将监控分站根据容量大小设计为大中型二种系列（两种分站的电路和程序完全相同，唯一区别是传感器输入通道数量有一定的差异）。由于分站功能多，处理任务繁重，实时性要求高。同时，既要与地面监控主机进行双向数据通讯，又要与总线型智能传感器进行数据通讯，由单片微处理器已不能胜任。因此，设计采用双CPU结构，两块CPU之间以双端口进行数据交换。 监控分站由一个以高性能单片机CPU为核心的微型计算机系统，由数据采集、显示、控制、存储、红外遥控、通讯、看门狗等主要功能电路组成。主要通过主板、通讯板和引线板3块电路板形成有机整体。其中主板为主控电路；通讯板用于与地面中心站的数据通讯；引线板用于分站与外部接线的连接。如图2。   2.2  软件设计 监控分站的通讯软件必须同样支持两种通讯方式，监控软件根据通讯方式不同，开发了适应多主并发通讯的宽带TCP/IP通讯软件程序和适应总线通讯方式的分站监控程序。但两种程序除了数据通讯部分程序有区别外，其他分析、处理、显示、控制程序完全一样。监控分站主程序由初始化程序、主循环分析处理显示控制程序、数据通讯程序组成。数据通信程序又分为3部分：通讯初始化、数据发送和数据接收。通讯初始化程序放在主程序开始部分，而数据发送和数据接收采用中断方式，以提高程序运行效率。监控分站软件开发工具采用高效的C51语言进行编程开发。 2.3  结构设计 分站工作电源，由其配套的电源箱提供，分站与电源采用组合设计，使用中既可分体，也可一体。上部主机电路设计为本安电路，所需输入电源为本安电源。机箱设计主要考虑防尘防潮方面的特点，外壳结构采用箱体、翻盖式结构，并设计防尘、防水槽和电缆连接保护翼，使外壳结构美观、牢固，易于维护。下部电源箱电路采用隔爆设计，输出各路电源通过本安处理，以满足其本安特性。 2.4  主要性能 监控分站的主要性能有：能对多通道、多种制式的传感器信号进行采集；具有独立的超限判别，并进行断电的功能；能通过遥控器，对分站进行预置，可脱机使用；能接受地面中心站的各种控制命令，进行相应的工作；能向地面中心站发送分站采集的数据和状态信号；分站电源箱带备用电池，当交流电网断电时，采用备用电池供电，可保证分站连续至少工作2小时；分站具有红外遥控设置功能，可就地进行手动初始化设置；为传感器提供最多八路18V/360mA的本质安全性电源；分站工作12V/200mA；符合矿井环境需要，耐压、耐腐蚀、防潮和密封。　　　　 3  结论 我国煤矿监控技术已经完成了引进、吸收、自主开发的过程，但是，我国监控系统缺乏高速、可靠的系统平台，监控系统网络传输速度慢，故障率高，监控系统技术水平与安全生产要求之间还存在着较大的差距。本论论述的嵌入式智能监控技术被用于新一代的监控系统中，开发了智能监控分站，使其适应工业以太网+CANBUS现场总线的大容量、宽带信息光纤传输要求，使监控系统可以实现数据、图像及语音多媒体信息实时宽带传输，提高了监控系统的反应速度及可靠度，为煤矿安全生产提供强有力的保障。