CN105697064A - 基于arm可配置内核的煤矿瓦斯预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统，包括井上设备组件及井下设备组件，井上设备组件与井下设备组件连接；井上设备组件包括地面交换机、主站设备及光纤收发器，井下设备组件包括环形以太网设备及一组或多组井下监控设备，每组井下监控设备包括防爆网络交换机、井下监控分站器、多个传感器、变频器及通风机。本发明可实时显示系统监测到的不同环境下的气体浓度，运用计算机强大的数据处理能力分析保存数据，并通过数据处理后的结果显示到监控中心，便于工作人员更直观地了解井下的工况，实施相应处理与控制；如果有严重的险情，声光警报会快速做出反应。
Description
技术领域
本发明涉及一种监控预警系统，尤其涉及一种基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统。
背景技术
煤炭工业在国民经济中有着至关重要的战略地位，但是一直以来煤矿事故中死亡的人数都是很大的，并且其中的绝大部分事故是由于瓦斯爆炸。中国煤炭总产量中的绝大部分采用的是井工开采方式，而井下条件是一个具有强干扰、多耦合、时变、多变量的复杂过程，用精确的数学模型是很难进行描述的。因此用常规的控制理论来解决这种复杂的工业控制过程就遇到了障碍。
近年来随着煤矿的日益开采，深度上不断的增加，要知道瓦斯的相对涌出量绝大部分是和深度成正比的，以及地形变得复杂导致的通风不易控制。这就意味着安全隐患越来越多，工人的生命受到更大的威胁。如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤其重要，对易燃易爆混合气体监测系统的研究和开发也成为人们一直关注的问题。
虽然最近几年我国的煤矿瓦斯监控技术发展的很快，但是还存在一些关键技术问题没有解决，例如各种环境监测传感器精度和可靠性不高，大部分的厂家都是专用的通信协议，互不兼容，改进和扩充系统时必须找对应的厂家，在缺乏技术支持的情况下不得不改换其它整套的系统，而且信息处理技术还不够先进，只能实现直接的传输、存储、显示和打印等功能，分析和“挖掘”深度不够。
发明内容
本发明的目的：提供一种基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统，可以对煤矿井下瓦斯、一氧化碳、氧气浓度及风速和温度进行实时监测，经过系统对数据的运算，进行评估。若有险情，随时发出声光警报。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统，包括井上设备组件及井下设备组件，所述的井上设备组件与所述的井下设备组件连接；所述的井上设备组件包括地面交换机、主站设备及光纤收发器，所述的地面交换机分别与所述的主站设备及光纤收发器连接；所述的井下设备组件包括环形以太网设备及一组或多组井下监控设备，每组所述的井下监控设备包括防爆网络交换机、井下监控分站器、多个传感器、变频器及通风机，所述的防爆网络交换机的一端与所述的环形以太网设备的一端连接，所述的环形以太网设备的另一端与所述的光纤收发器连接；所述的井下监控分站器的一端与所述的防爆网络交换机的另一端与所述的多个传感器及变频器的一端分别与所述的井下监控分站器的另一端连接，所述的变频器的另一端与所述的通风机连接。
上述的基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统，其中，所述的多个传感器包括瓦斯传感器、风速传感器、温度传感器、氧气传感器及一氧化碳浓度传感器，所述的瓦斯传感器、风速传感器、温度传感器、氧气传感器及一氧化碳浓度传感器分别设置在所述的井下煤矿内。
上述的基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统，其中，所述的井下监控分站器上连接有传感器数据融合组件，所述的传感器数据融合组件包括A/D转换装置、数据预处理装置、特征提取装置、融合计算装置及数据输出装置，所述的瓦斯传感器、风速传感器、温度传感器、氧气传感器及一氧化碳浓度传感器的输出端分别与所述的A/D转换装置的输入端连接，所述的A/D转换装置的输出端与所述的数据预处理装置的输入端连接，所述的数据预处理装置的输出端与所述的特征提取装置的输入端连接，所述的特征提取装置的输出端与所述的融合计算装置的输入端连接，所述的融合计算装置的输出端与所述的数据输出装置的输入端连接，所述的数据输出装置的输出端与所述的井下监控分站器连接。
上述的基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统，其中，所述的井下监控分站器包括主控制器、电源、时钟装置、复位装置、第一频率/开关量输入装置、第一模拟量输入装置、第一声光报警装置、第二频率/开关量输入装置、第二模拟量输入装置、第二声光报警装置、LCD显示器、同步动态随机存储器及FLASH存储器；所述的电源、时钟装置、复位装置、第一频率/开关量输入装置、第一模拟量输入装置及第一声光报警装置的输出端分别与所述的主控制器的输入端连接，所述的第二频率/开关量输入装置、第二模拟量输入装置、第二声光报警装置、LCD显示器、同步动态随机存储器及FLASH存储器与所述的主控制器双向连接。
本发明可实时显示系统监测到的不同环境下的气体浓度，运用计算机强大的数据处理能力分析保存数据，并通过数据处理后的结果显示到监控中心，便于工作人员更直观地了解井下的工况，实施相应处理与控制；如果有严重的险情，声光警报会快速做出反应。
附图说明
图1是本发明基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统的连接框图。
图2是本发明基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统的井下监控分站器的连接框图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
请参见附图1所示，一种基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统，包括井上设备组件及井下设备组件，所述的井上设备组件与所述的井下设备组件连接；所述的井上设备组件包括地面交换机1、主站设备2及光纤收发器3，所述的地面交换机1分别与所述的主站设备2及光纤收发器3连接；所述的井下设备组件包括环形以太网设备4及一组或多组井下监控设备，每组所述的井下监控设备包括防爆网络交换机5、井下监控分站器6、多个传感器、变频器8及通风机9，所述的防爆网络交换机5的一端与所述的环形以太网设备4的一端连接，所述的环形以太网设备4的另一端与所述的光纤收发器3连接；所述的井下监控分站器6的一端与所述的防爆网络交换机5的另一端与所述的多个传感器及变频器8的一端分别与所述的井下监控分站器6的另一端连接，所述的变频器8的另一端与所述的通风机9连接。
所述的多个传感器包括瓦斯传感器71、风速传感器72、温度传感器73、氧气传感器74及一氧化碳浓度传感器75，所述的瓦斯传感器71、风速传感器72、温度传感器73、氧气传感器74及一氧化碳浓度传感器75分别设置在所述的井下煤矿内。
所述的井下监控分站器6上连接有传感器数据融合组件，所述的传感器数据融合组件包括A/D转换装置10、数据预处理装置11、特征提取装置12、融合计算装置13及数据输出装置14，所述的瓦斯传感器71、风速传感器72、温度传感器73、氧气传感器74及一氧化碳浓度传感器75的输出端分别与所述的A/D转换装置10的输入端连接，所述的A/D转换装置10的输出端与所述的数据预处理装置11的输入端连接，所述的数据预处理装置11的输出端与所述的特征提取装置12的输入端连接，所述的特征提取装置12的输出端与所述的融合计算装置13的输入端连接，所述的融合计算装置13的输出端与所述的数据输出装置14的输入端连接，所述的数据输出装置14的输出端与所述的井下监控分站器6连接。
数据层融合、特征层融合和决策层融合各有优缺点和适用范围，因为瓦斯监控系统有着不同的传感器，这就决定了只能是在特征层或决策层中进行融合。特征层融合是对特征向量进行关联和配准，然后进行识别，而决策层融合正好相反，是先进行识别，再对各个决策结果进行关联和配准，最后得到融合的判决结果。瓦斯监控系统中的瓦斯浓度传感器、风速、温度等传感器是相互独立的，在决策层进行融合要比在特征层的精确度更高，而且决策层融合对处理器的要求较低，容易实现，所以模糊数据融合是在决策层进行，首先要对来自多源传感器的数据进行预处理，以期获得各自的判定结果。
模糊数据融合处理多传感器信息的过程如下：
1、信号的获取，一般采用专用的传感器，然后经过A/D转换将电信号转换为计算机I/O口可以接收的数字量。
2、数据的预处理，主要作用是提高信号的信噪比，在最大程度上的去除噪音和干扰，方法有：取均值、滤波、野点剔除等。
3、特征提取，对来自传感器的原始信息进行特征提取，特征可以是被测对象的各种物理量。
4、融合计算，主要是分析、取舍、补充多传感器的相关观测结果，生成综合态势，并且实时的进行修改。
请参见附图2所示，所述的井下监控分站器6包括主控制器601、电源602、时钟装置603、复位装置604、第一频率/开关量输入装置605、第一模拟量输入装置606、第一声光报警装置607、第二频率/开关量输入装置608、第二模拟量输入装置609、第二声光报警装置610、LCD显示器611、同步动态随机存储器612及FLASH存储器613；所述的电源602、时钟装置603、复位装置604、第一频率/开关量输入装置605、第一模拟量输入装置606及第一声光报警装置607的输出端分别与所述的主控制器601的输入端连接，所述的第二频率/开关量输入装置608、第二模拟量输入装置609、第二声光报警装置610、LCD显示器611、同步动态随机存储器612及FLASH存储器613与所述的主控制器601双向连接。
主控制器601采用32位ARM微控制器S3C2440A，在性能上远远优于传统的8/16位单片机作为主控芯片的监控分站。采用内嵌的CAN控制模块，整个电路设计更为简单和可靠，变频器8输出频率的控制是通过RS485接口进行，LCD显示器611的现场显示与以往的LED显示相比，可以显示更多的现场参数信息。
Flash存储器613又被称作闪存，具有非易失性的特点，即使掉电，数据也不会丢失，而且具有体积小、功耗低、抗震性能好等优点，非常适合应用于嵌入式系统中。目前的主流产品主要有：NorFlash和NandFlash。
S3C2440A可以支持从NandFlash和NorFlash启动，因为监控分站的关键数据要备份到Flash中，所以要采用容量大的NandFlash。项目中的NandFlash采用的是Samsung公司的K9F2808UOC，它的存储容量132Mb，其中主数据区为128Mb，还有4Mb的辅助数据区，工作电压为2.7-3.6V，I/O端口的宽度为8bit。整个系统的程序都烧录在NandFlash中，启动代码将会把NandFlash中内容拷贝到SDRAM里面执行。S3C2440A具有特定的NandFlash接口，发送命令、数据和地址使用数据总线，采用8位数据总线DATA[7：0]直接和K9F2808UOC的引脚I/OA[7：0]相连。
同步动态随机存储器612，同步是指存储器的工作需要同步时钟，动态是指存储阵列需要不断的刷新，随机是指数据的读写是自由指定地址。两片SDRAM在系统中的地址范围是0x30000000-0x33ffffff。
S3C2440A的地址总线A24，A25分别和K4S561632C的片选信号BAO，BA连接，第一片SDRAM的数据线DQ[15：0]与S3C2440A的数据线DATA[15：0]相连接，第二片与DATA[31：16]相连接。
时钟装置603的作用是提供工作时钟给CPU和其他的工作电路，S3C2440A的时钟电路使用的是18.431MHz的晶振，实时时钟芯片RTC还需要32.768KHz的晶振。S3C2440A己经提供了时钟发生电路，外接晶振后就可以使内部的振荡电路工作并提供时钟发生电路。S3C2440A时钟控制逻辑可以产生无PLL(锁相环)的J漫时钟，这样就可以通过软件将时钟连接到每个外设，或者将其从外设上断开，达到降低能耗的目的。在具有PLL的电路情况下能进行频率的放大和信号提纯，这样系统就可以以较低的外部时钟信号来得到系统所需要的较高的工作频率，这样就极大地降低了因为高速开关时钟引起的高频噪声。
井下监控分站器6的电源601输入端KDW17型矿用隔爆兼本安电源，它是一种通用型隔爆兼本质安全型不间断电源，允许在瓦斯、煤尘爆炸等危险环境中使用，可以输出+12V，+18V，+24V三种规格的电压。但是这三种规格的电压都不能直接供监控分站使用，这就需要进行电压的转换。监控分站共需要三种规格的电压：+5V，+3.3V和+1.25V，分别为CAN总线的驱动芯片、监控分站系统电路和S3C2440A内核进行供电。输入电源+24V经过DC-DC电源模块转换为+5V和+3.3V的稳定电压，然后使用LM1117-1.25将+3.3V转为+1.25V。
LM1117-1.25是一个低压差电压调节器，当压差是1.2V的时候，负载的电流最大可以是800mA。
本发明有效提高了瓦斯监控分站预警的准确性和可靠性，还可以根据得出融合结果后对局部通风机的转速进行控制，进而有效控制瓦斯浓度，降低煤矿事故风险。
本发明针对煤矿井下环境极其恶劣、复杂，而不同煤矿又千差万别的特点，项目软硬件各层次拟采用模块化结构设计，将各个环节在可靠的前提下设计成最小系统，可配置性强，使其灵活地组成系统以适应不同规模、不同工程环境要求的安装、配置、调试等。同时，可以很方便的迁移应用到森林防火、水下环境监测等领域中。
本发明采用模糊集理论，避免了先验概率困境，对来自多源或多传感器的信息和数据加以分析和综合，不仅避免可以单一传感器的局限性、更全面地获取信息，而且可以处理传感器信息的不确定性，这样就使系统的预警功能在一定程度上更加可靠、反应更快，得到的预警信息更加准确。
综上所述，本发明可实时显示系统监测到的不同环境下的气体浓度，运用计算机强大的数据处理能力分析保存数据，并通过数据处理后的结果显示到监控中心，便于工作人员更直观地了解井下的工况，实施相应处理与控制；如果有严重的险情，声光警报会快速做出反应。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统，其特征在于：包括井上设备组件及井下设备组件，所述的井上设备组件与所述的井下设备组件连接；所述的井上设备组件包括地面交换机、主站设备及光纤收发器，所述的地面交换机分别与所述的主站设备及光纤收发器连接；所述的井下设备组件包括环形以太网设备及一组或多组井下监控设备，每组所述的井下监控设备包括防爆网络交换机、井下监控分站器、多个传感器、变频器及通风机，所述的防爆网络交换机的一端与所述的环形以太网设备的一端连接，所述的环形以太网设备的另一端与所述的光纤收发器连接；所述的井下监控分站器的一端与所述的防爆网络交换机的另一端与所述的多个传感器及变频器的一端分别与所述的井下监控分站器的另一端连接，所述的变频器的另一端与所述的通风机连接。
2.根据权利要求1所述的基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统，其特征在于：所述的多个传感器包括瓦斯传感器、风速传感器、温度传感器、氧气传感器及一氧化碳浓度传感器，所述的瓦斯传感器、风速传感器、温度传感器、氧气传感器及一氧化碳浓度传感器分别设置在所述的井下煤矿内。
3.根据权利要求2所述的基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统，其特征在于：所述的井下监控分站器上连接有传感器数据融合组件，所述的传感器数据融合组件包括A/D转换装置、数据预处理装置、特征提取装置、融合计算装置及数据输出装置，所述的瓦斯传感器、风速传感器、温度传感器、氧气传感器及一氧化碳浓度传感器的输出端分别与所述的A/D转换装置的输入端连接，所述的A/D转换装置的输出端与所述的数据预处理装置的输入端连接，所述的数据预处理装置的输出端与所述的特征提取装置的输入端连接，所述的特征提取装置的输出端与所述的融合计算装置的输入端连接，所述的融合计算装置的输出端与所述的数据输出装置的输入端连接，所述的数据输出装置的输出端与所述的井下监控分站器连接。
4.根据权利要求1所述的基于ARM可配置内核的煤矿瓦斯预警系统，其特征在于：所述的井下监控分站器包括主控制器、电源、时钟装置、复位装置、第一频率/开关量输入装置、第一模拟量输入装置、第一声光报警装置、第二频率/开关量输入装置、第二模拟量输入装置、第二声光报警装置、LCD显示器、同步动态随机存储器及FLASH存储器；所述的电源、时钟装置、复位装置、第一频率/开关量输入装置、第一模拟量输入装置及第一声光报警装置的输出端分别与所述的主控制器的输入端连接，所述的第二频率/开关量输入装置、第二模拟量输入装置、第二声光报警装置、LCD显示器、同步动态随机存储器及FLASH存储器与所述的主控制器双向连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160622 |