礦井實時環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究

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摘要：當(dāng)下我國礦井事故頻繁發(fā)生，主要原因是礦井下環(huán)境變化復(fù)雜，有害氣體眾多，這些氣體對人體的傷害極大，還有礦井內(nèi)如果發(fā)生危險，人流量無法及時控制。所以對礦井的環(huán)境監(jiān)測就成為了保障礦井下安全作業(yè)的必要前提，因此在這樣的背景之下一款對礦井實時環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)就應(yīng)運而生了，該系統(tǒng)主要對礦井下復(fù)雜氣體進(jìn)行分類監(jiān)測其濃度變化，并及時的進(jìn)行上傳到礦井以上，以便對環(huán)境變化進(jìn)行實時計算，分析更精準(zhǔn)的預(yù)測出可能發(fā)生的環(huán)境變化，提前做出應(yīng)對方案，使得工作人員的安全的得到更大的保障，從而產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：礦井；系統(tǒng)；監(jiān)測

1系統(tǒng)整體框架設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計方案得拓?fù)鋱D見圖1所示，整體系統(tǒng)設(shè)計包括節(jié)點控制定位系統(tǒng)設(shè)計，人員生命體征監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，手機定位APP系統(tǒng)設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計，數(shù)據(jù)儲存系統(tǒng)設(shè)計，網(wǎng)頁訪問系統(tǒng)設(shè)計，云服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計。

2礦井人員定位系統(tǒng)設(shè)計

礦井定位采用Zigbee模塊進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)Zigbee模塊的RSSI值通過內(nèi)部運算將輸出距離數(shù)據(jù)，從而獲取定位信息，系統(tǒng)將Zigbee模塊設(shè)計在井下礦墻之上，根據(jù)模塊的探測距離將礦下三十平米畫作一個探測區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)置四個模塊以保證無死角覆蓋，模塊采用自帶蓄電池供電，供電穩(wěn)定，這樣能保證正常電源故障時，模塊依然持續(xù)工作提高安全性以應(yīng)對多變的礦井環(huán)境。

3人員生命體征監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

對于人員生命體征監(jiān)測我們采用智能手環(huán)來完成，手環(huán)我們采用STC15F2K60S2作為智能手環(huán)的主控芯片，上面還有運動傳感器，體溫監(jiān)測傳感器，以及心率監(jiān)測傳感器，藍(lán)牙傳輸模塊等，藍(lán)牙模塊可以與地面的手機APP進(jìn)行實時數(shù)據(jù)通信，這樣能夠使得發(fā)生危險時，地面工作人員以手機APP為載體及時的將逃生計劃，逃生路線傳輸給地下佩戴手環(huán)的工作人員，工作人員就可以通過手環(huán)屏幕上提供的逃生計劃，以及逃生路線進(jìn)行下一步的行動，同時手環(huán)還設(shè)置了遠(yuǎn)距離文字傳輸功能，逃生人員如果在逃生過程中再次發(fā)生以外，也可以發(fā)出求救信息，以獲取最新的逃生方案。

4救援定位APP系統(tǒng)設(shè)計

定位APP主要是實現(xiàn)地表工作人員與逃生人員之間的實時數(shù)據(jù)共享，以及手機和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)共享。手機在這里起到一個橋梁作用，目的是解決手環(huán)和服務(wù)器之間的矛盾點，從而保證火災(zāi)救援和逃生系統(tǒng)正常運行，并能夠應(yīng)對突發(fā)狀況做出快速的反應(yīng)。我們把手機APP分為正常模式和火災(zāi)救援模式兩種。在正常模式下只顯示佩戴手環(huán)的人的心率和血氧值。而在發(fā)生火災(zāi)時，手環(huán)的救援模式則能夠及時發(fā)出聲光報警并定位受困人員位置，方便消防人員進(jìn)行救護(hù)。同時，也為受困人員提供逃生路徑，當(dāng)受困人員等待救援時還可顯示救援進(jìn)度。

5網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計

我們使用的芯片的內(nèi)核是ARMCortexA9，芯片型號為EXYNOS4412，是一款采用了三星的設(shè)計工藝，是三星的一款四核處理器，有304個多功能I/O端口，164個存儲引腳，37組通用口，2組存儲口。由于輸入輸出口的繁多，如果對這些接口直接利用，會造成對芯片運算速度的降低，浪費接口的內(nèi)部資源，所以需要引用一些輔助手段進(jìn)行開發(fā)，這里我們選用Linux操作系統(tǒng)輔助開發(fā)，系統(tǒng)具有Linux進(jìn)程、線程、共享內(nèi)存、和網(wǎng)絡(luò)編程，能夠提高編程效率，系統(tǒng)具有開放性，能夠自由的對內(nèi)核進(jìn)行修改和裁剪。Linux還具備獨立性，能夠?qū)⑼獠吭O(shè)備當(dāng)做文件來看，只要安裝驅(qū)動程序就可以使用。Linux具有豐富的網(wǎng)絡(luò)功能，內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)完善，更重要的是還具有良好的可移植性。

6數(shù)據(jù)儲存及網(wǎng)頁訪問系統(tǒng)設(shè)計

對于數(shù)據(jù)庫我們采用一款輕型的數(shù)據(jù)庫，是遵守ACID的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，即SQLite3數(shù)據(jù)庫，它包含在一個相對小的C庫中。它的設(shè)計目標(biāo)是嵌入式的，而且目前已經(jīng)在很多嵌入式產(chǎn)品中使用了它，它占用資源非常的低，在嵌入式設(shè)備中，可能只需要幾百K的內(nèi)存就夠了。網(wǎng)頁服務(wù)器我們選擇Boa服務(wù)器，Boa是一種非常小巧的Web服務(wù)器，其可執(zhí)行代碼只有大約60KB左右。作為一種單任務(wù)Web服務(wù)器，Boa支持CGI，能夠為CGI程序fork出一個進(jìn)程來執(zhí)行。Boa的設(shè)計目標(biāo)是速度和安全。同時我們在Web瀏覽器上開發(fā)了一套簡單明了，方便管理和控制的前端用戶平臺，讓使用人員能夠快速掌握我們整個系統(tǒng)，讓所有復(fù)雜的算法，操作系統(tǒng)簡單化，適合廣大用戶的使用，這就是我們設(shè)計Web前端的終極目的。這個Web前端就相當(dāng)于一個總司令一樣控制這整個系統(tǒng)，系統(tǒng)每個部分的數(shù)據(jù)都能夠在Web瀏覽器上顯示、調(diào)用和修改。網(wǎng)頁上可以對人員的實時情況得到充分的了解，包括人員救助情況，被困人員健康情況等，并且當(dāng)?shù)V井作業(yè)正常時也可以對礦井的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

7云服務(wù)器設(shè)計

云服務(wù)器我們選用阿里云的ECS服務(wù)器，用來接收各個子服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)，并處理分析，為每位用戶規(guī)劃最佳逃生路徑。

8結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計理念本著以人為本，生命之上的理念出發(fā)，目的是在能對礦井的事實數(shù)據(jù)得到最準(zhǔn)確的監(jiān)控并傳輸，以最大限度的保證人員生命安全。在保證人員生命絕對安全的前提下盡可能的降低經(jīng)濟(jì)損失。

作者：羅勇 陳偉利 江萍 單位：吉林建筑大學(xué)