1.前 言

由于煤礦生產所具有的特殊作業環境，致使生產過程中潛伏著比一般行業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、互聯網和通信技術高速發展的同時，應用以GIS為核心的監控系統已成為煤礦安全實時監測的一種重要手段。GIS煤礦安全實時監測系統可以將傳感器測得的瓦斯濃度、風量、設備狀態等多種數據自動地在電子地圖中顯示出來，結合井下人員定位系統還可以將井下作業人員的位置等也顯示在電子地圖上。系統數據傳輸以局域網、互聯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展的今天，把各種監測數據信息通過通信網絡實時傳到監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.系統的組成及工作原理

2.1系統組成

基于ARM的GIS煤礦安全實時監測系統主要包括三個部分：礦井端、GSM通信網絡、GIS監控中心。

礦井端主要包括GPS模塊、GSM模塊和ARM控制模塊。GPS模塊和GSM模塊實現定位、無線傳輸;ARM控制模塊實現數據采集和數據處理，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中心數據庫中即可以準確記錄下井工作人員。作為數據采集、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濃度、風速等參數值，并把這些信息通過GSM通信網絡發送到GIS監控中心，同時能夠隨時接收來自監控中心的調度命令。

GSM通信網絡用來完成礦井端與GIS監控調度中心之間的信息傳輸，采用現存的GSM移動信息系統的SMS短消息業務。

GIS監控中心是整個系統的核心，是基于GIS智能化監控管理中心，能夠隨時顯示井下人員的位置、瓦斯濃度或設備狀態等信息，并根據數據信息對相應的設備做出控制(人為或自動)。

2.2系統工作原理

礦井端首先實時采集井下工作人員的動態位置(經度、緯度、高度)、時間、狀態，以及瓦斯濃度、風速、溫度等環境信息，然后由數據處理模塊和控制模塊進行數據處理后，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、壓力和瓦斯濃度、一氧化碳的濃度等各種參數的準確定位和顯示，實現對這些參數的監控、查詢，當某一參數超過確定的安全值時即進行報警，監控中心則通過GPS移動通信網絡向礦井發送各種監控、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送定位人員坐標;GPS模塊需要配備專門的GPS天線接收GPS衛星信號。一般需要接收三顆以上的GPS衛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

井下人員與監控中心之間的通信是通過GSM模塊來實現的，在煤礦實時監測系統中采用GSM移動通信系統的短消息業務進行通信，短消息業務屬于GSM 數字移動通信系統電信業務，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據的應用，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，它的主要功能是進行數據處理和控制礦井端的各組成部分按照通信協議的要求，執行相應的操作。該系統包括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嵌入式系統開發板使用相應的通信電纜連接起來，根據實際情況，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、內部數據的處理以及外圍控制設備的驅動都是在ARM芯片的統一控制下完成的，這就需要對嵌入式系統進行必要的編程，本系統基于μClinux操作系統，采用C語言進行編程。

4.1 μClinux開發環境的建立

為了實現基于μClinux的應用系統的開發，建立或擁有一個完備的μClinux開發環境是十分必要的。基于μClinux操作系統的應用開發環境一般是由目標系統硬件開發板和宿主PC機所構成。目標硬件開發板用于運行操作系統和系統應用軟件，而目標板所用到的操作系統的內核編譯、應用程序的開發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 系統軟件流程

礦井端由AT91R40008開發板、TC35i, GPS15 OEM板組成，AT91R40008開發板帶有兩個串口，其中一個串口與GPS接收模塊連接，接收來自衛星的位置信息，另一個串口與TC35i連接，將接收到的定位數據打包成短消息格式通過現有通信網絡發送出去，實現人員定位和監控管理。整個系統的工作流程大致如下:系統加電進行復位后，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 模塊發往用戶終端或總機，實現全球范圍內的定位和監控管理。整個系統流程圖如圖2所示:

圖2　系統流程圖

5.結束語

基于ARM嵌入式技術的GIS煤礦安全實時監測系統，主要是利用ARM的強大功能，結合GRP、GSM技術實現了礦井端的煤礦安全實時監測，相對于傳統的采用8位單片機作為主控芯片的礦井端，其復雜監控的功能更強，系統更靈活，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。