矿井实时环境监测系统设计研究

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摘要：当下我国矿井事故频繁发生，主要原因是矿井下环境变化复杂，有害气体众多，这些气体对人体的伤害极大，还有矿井内如果发生危险，人流量无法及时控制。所以对矿井的环境监测就成为了保障矿井下安全作业的必要前提，因此在这样的背景之下一款对矿井实时环境监测的系统就应运而生了，该系统主要对矿井下复杂气体进行分类监测其浓度变化，并及时的进行上传到矿井以上，以便对环境变化进行实时计算，分析更精准的预测出可能发生的环境变化，提前做出应对方案，使得工作人员的安全的得到更大的保障，从而产生更大的经济效益。

关键词：矿井；系统；监测

1系统整体框架设计

系统整体设计方案得拓扑图见图1所示，整体系统设计包括节点控制定位系统设计，人员生命体征监测系统设计，手机定位APP系统设计，网络服务器系统设计，数据储存系统设计，网页访问系统设计，云服务器系统设计。

2矿井人员定位系统设计

矿井定位采用Zigbee模块进行设计，根据Zigbee模块的RSSI值通过内部运算将输出距离数据，从而获取定位信息，系统将Zigbee模块设计在井下矿墙之上，根据模块的探测距离将矿下三十平米画作一个探测区域，每个区域设置四个模块以保证无死角覆盖，模块采用自带蓄电池供电，供电稳定，这样能保证正常电源故障时，模块依然持续工作提高安全性以应对多变的矿井环境。

3人员生命体征监测系统设计

对于人员生命体征监测我们采用智能手环来完成，手环我们采用STC15F2K60S2作为智能手环的主控芯片，上面还有运动传感器，体温监测传感器，以及心率监测传感器，蓝牙传输模块等，蓝牙模块可以与地面的手机APP进行实时数据通信，这样能够使得发生危险时，地面工作人员以手机APP为载体及时的将逃生计划，逃生路线传输给地下佩戴手环的工作人员，工作人员就可以通过手环屏幕上提供的逃生计划，以及逃生路线进行下一步的行动，同时手环还设置了远距离文字传输功能，逃生人员如果在逃生过程中再次发生以外，也可以发出求救信息，以获取最新的逃生方案。

4救援定位APP系统设计

定位APP主要是实现地表工作人员与逃生人员之间的实时数据共享，以及手机和服务器之间的数据共享。手机在这里起到一个桥梁作用，目的是解决手环和服务器之间的矛盾点，从而保证火灾救援和逃生系统正常运行，并能够应对突发状况做出快速的反应。我们把手机APP分为正常模式和火灾救援模式两种。在正常模式下只显示佩戴手环的人的心率和血氧值。而在发生火灾时，手环的救援模式则能够及时发出声光报警并定位受困人员位置，方便消防人员进行救护。同时，也为受困人员提供逃生路径，当受困人员等待救援时还可显示救援进度。

5网络服务器系统设计

我们使用的芯片的内核是ARMCortexA9，芯片型号为EXYNOS4412，是一款采用了三星的设计工艺，是三星的一款四核处理器，有304个多功能I/O端口，164个存储引脚，37组通用口，2组存储口。由于输入输出口的繁多，如果对这些接口直接利用，会造成对芯片运算速度的降低，浪费接口的内部资源，所以需要引用一些辅助手段进行开发，这里我们选用Linux操作系统辅助开发，系统具有Linux进程、线程、共享内存、和网络编程，能够提高编程效率，系统具有开放性，能够自由的对内核进行修改和裁剪。Linux还具备独立性，能够将外部设备当做文件来看，只要安装驱动程序就可以使用。Linux具有丰富的网络功能，内置网络完善，更重要的是还具有良好的可移植性。

6数据储存及网页访问系统设计

对于数据库我们采用一款轻型的数据库，是遵守ACID的关系型数据库管理系统，即SQLite3数据库，它包含在一个相对小的C库中。它的设计目标是嵌入式的，而且目前已经在很多嵌入式产品中使用了它，它占用资源非常的低，在嵌入式设备中，可能只需要几百K的内存就够了。网页服务器我们选择Boa服务器，Boa是一种非常小巧的Web服务器，其可执行代码只有大约60KB左右。作为一种单任务Web服务器，Boa支持CGI，能够为CGI程序fork出一个进程来执行。Boa的设计目标是速度和安全。同时我们在Web浏览器上开发了一套简单明了，方便管理和控制的前端用户平台，让使用人员能够快速掌握我们整个系统，让所有复杂的算法，操作系统简单化，适合广大用户的使用，这就是我们设计Web前端的终极目的。这个Web前端就相当于一个总司令一样控制这整个系统，系统每个部分的数据都能够在Web浏览器上显示、调用和修改。网页上可以对人员的实时情况得到充分的了解，包括人员救助情况，被困人员健康情况等，并且当矿井作业正常时也可以对矿井的实时数据进行显示。

7云服务器设计

云服务器我们选用阿里云的ECS服务器，用来接收各个子服务器发来的数据，并处理分析，为每位用户规划最佳逃生路径。

8结论

本系统设计理念本着以人为本，生命之上的理念出发，目的是在能对矿井的事实数据得到最准确的监控并传输，以最大限度的保证人员生命安全。在保证人员生命绝对安全的前提下尽可能的降低经济损失。

作者：罗勇 陈伟利 江萍 单位：吉林建筑大学