礦井實時環境監測系統設計研究

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

關鍵詞：礦井；系統；監測

1系統整體框架設計

系統整體設計方案得拓撲圖見圖1所示，整體系統設計包括節點控制定位系統設計，人員生命體征監測系統設計，手機定位APP系統設計，網絡服務器系統設計，數據儲存系統設計，網頁訪問系統設計，云服務器系統設計。

2礦井人員定位系統設計

礦井定位采用Zigbee模塊進行設計，根據Zigbee模塊的RSSI值通過內部運算將輸出距離數據，從而獲取定位信息，系統將Zigbee模塊設計在井下礦墻之上，根據模塊的探測距離將礦下三十平米畫作一個探測區域，每個區域設置四個模塊以保證無死角覆蓋，模塊采用自帶蓄電池供電，供電穩定，這樣能保證正常電源故障時，模塊依然持續工作提高安全性以應對多變的礦井環境。

3人員生命體征監測系統設計

對于人員生命體征監測我們采用智能手環來完成，手環我們采用STC15F2K60S2作為智能手環的主控芯片，上面還有運動傳感器，體溫監測傳感器，以及心率監測傳感器，藍牙傳輸模塊等，藍牙模塊可以與地面的手機APP進行實時數據通信，這樣能夠使得發生危險時，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的工作人員，工作人員就可以通過手環屏幕上提供的逃生計劃，以及逃生路線進行下一步的行動，同時手環還設置了遠距離文字傳輸功能，逃生人員如果在逃生過程中再次發生以外，也可以發出求救信息，以獲取最新的逃生方案。

4救援定位APP系統設計

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

5網絡服務器系統設計

我們使用的芯片的內核是ARMCortexA9，芯片型號為EXYNOS4412，是一款采用了三星的設計工藝，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，浪費接口的內部資源，所以需要引用一些輔助手段進行開發，這里我們選用Linux操作系統輔助開發，系統具有Linux進程、線程、共享內存、和網絡編程，能夠提高編程效率，系統具有開放性，能夠自由的對內核進行修改和裁剪。Linux還具備獨立性，能夠將外部設備當做文件來看，只要安裝驅動程序就可以使用。Linux具有豐富的網絡功能，內置網絡完善，更重要的是還具有良好的可移植性。

6數據儲存及網頁訪問系統設計

對于數據庫我們采用一款輕型的數據庫，是遵守ACID的關系型數據庫管理系統，即SQLite3數據庫，它包含在一個相對小的C庫中。它的設計目標是嵌入式的，而且目前已經在很多嵌入式產品中使用了它，它占用資源非常的低，在嵌入式設備中，可能只需要幾百K的內存就夠了。網頁服務器我們選擇Boa服務器，Boa是一種非常小巧的Web服務器，其可執行代碼只有大約60KB左右。作為一種單任務Web服務器，Boa支持CGI，能夠為CGI程序fork出一個進程來執行。Boa的設計目標是速度和安全。同時我們在Web瀏覽器上開發了一套簡單明了，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，讓所有復雜的算法，操作系統簡單化，適合廣大用戶的使用，這就是我們設計Web前端的終極目的。這個Web前端就相當于一個總司令一樣控制這整個系統，系統每個部分的數據都能夠在Web瀏覽器上顯示、調用和修改。網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，并且當礦井作業正常時也可以對礦井的實時數據進行顯示。

7云服務器設計

云服務器我們選用阿里云的ECS服務器，用來接收各個子服務器發來的數據，并處理分析，為每位用戶規劃最佳逃生路徑。

8結論

本系統設計理念本著以人為本，生命之上的理念出發，目的是在能對礦井的事實數據得到最準確的監控并傳輸，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濟損失。

作者：羅勇 陳偉利 江萍 單位：吉林建筑大學