煤炭、石油等化石能源是我國能源供應的主體，特別是煤炭在保障我國能源安全中，起著基礎性作用。在我國目前的能源結構中，煤炭仍占能源總量中的70%左右。 可見煤炭已成為支撐我國經濟發展的中堅力量，并且這一現狀在短時間內不會有太大變化。

在我國最新制定的煤炭科技十二五發展規劃中，提出了“綠色開采與生態礦山”的概念，這就要求提高煤礦生產的安全和采礦區周邊環境的保護。雖然國家和企業已經為了改善生產條件作了很大努力，但這依舊是一個沒有完全解決的問題。在我國煤炭生產中，不安全事故頻頻發生，對環境的破壞和因此導致的死亡事件也屢屢見諸報端。要解決這一現況，除了提高工人作業水平以外，必須要加大對礦井安全設備的投入。本此設計所選定的項目就是立足于實際，以促進煤炭安全生產和環境保護為目標。可以有效的減少礦井事故的發生，最大限度保證井下人員的安全和采礦區周邊環境的和諧。

結合我們對煤炭嚴峻形勢的認識和本次大賽的主題，我們將選題方向煤礦安全生產集中監控領域。本次設計對構建和諧社會和可持續性發展社會將具有十分重要的意義。

1.2 項目背景/選題動機

煤礦在我國的國民生產生活和經濟發展中起著舉足輕重的作用。現在中國發電量的大部分來自于煤電，煤炭經濟在我國GDP中占有很大比重，可以說煤一朝一夕都在影響著中國的每一個家庭的生活。可是我們不能忽視的是，在煤炭產業促進我國經濟發展和GDP增長的同時，在煤炭生產中所產生的安全問題和對環境的破壞問題讓我們不得不去關注。

2005年3月9日，山西呂梁交城礦難，28人死亡

2006年2月1日晚上7時許，山西省晉城煤業集團所屬寺河煤礦發生瓦斯爆炸事故，造成23名礦工死亡，另有53人一氧化碳中毒。

2007年03月06日湖南邵陽市邵東縣宏發煤礦在維修巷道時發生瓦斯爆炸，15人死亡。

2008年01月20日，山西臨汾市汾西縣煤礦發生炸藥爆炸，20人死亡。

2009年01月20日21時0分， 山西臨汾地區汾西縣永安鎮蔚家嶺村一非法私開煤礦窩點發生瓦斯爆炸，造成20人遇難。

……

當然這只是列舉了一部分實例，這些驚心的實例時刻都在提醒我們煤炭安全生產的重要性。造成這一現象除了人為因素外，安全檢測設備的落后和不到位也是一個重要的原因。中國的許多煤礦企業在生產中，伴生著嚴重的資源、環境、安全等問題，如果這一問題得不到解決將影響長遠發展，這與可持續性發展的理論是背道而馳的。據調查，全國的煤炭企業除46%的高突礦井外，大部分已進入深水平開采，滲水、瓦斯、坍塌等已成為越來越大的安全隱患。增加新的高性能檢測設備成為解決煤礦安全問題的關鍵，同時考慮到很多中小心型煤礦企業的在安全設施方面的投入能力，開發出一套經濟實惠，使用方便，安全高效的安全檢控設備成為當今中國大多數煤炭企業的迫切需求。

采煤工作面作為整個采煤作業現場的第一工作區，容易發生瓦斯爆炸、漏水和冒頂等事故，一旦發生礦難不但會直接影響到采煤工人的生命安全，更可能會對周邊環境造成嚴重的破壞。因此，采煤工作區作為事故地帶，是構成整個煤礦安全體系的最關鍵一環。如何保證采煤工作面的安全生產，一直是一個難以解決的嚴峻課題。

ATMEL公司的32位AVR嵌入式微處理器性能高、功耗低、價格適宜，特別是芯片內部集成了網絡接口，簡化了網絡數據傳送和遠程控制實現的難度，它強大的數據處理能力為數字信號的處理提供了有力的支持，除此之外它還具有其它優良的性能，成為完成本次設計的最佳選擇。本次設計擬采用基于AVR 32 AT32UC3A單片機控制器的EVK1100評估系統和開發系統為基礎開發平臺，結合套件本身所提供的資源，通過擴展其它板卡實現設計中要求的全部功能。鑒于AVR以上的優點，結合目前的煤礦采煤工作面的安全監控存在的不足，設計一款基于32位嵌入式AVR微處理器的采煤工作面安全集中監控系統，提供了一種新型嵌入式的方案，以達到進一步提高采煤工作面的安全性和可靠性。

考慮到作品的實用性，除實現對采煤工作面的監控以外，通過簡單的修改（設計本身支持這種裁剪和功能擴成），本次設計成果也可以很容易的轉換到其它安全監控領域，如其它采礦工作的安全監控、家居安全的監控、工廠生產車間安全生產和倉庫防盜的監控、道路安全運營的監控等等。

山東科技大學原名山東煤礦學院，對煤炭的生產和研究都有很長的歷史，在幾十年的發展中積累了豐富的經驗，在煤炭研究領域建立了健全的體系。目前擁有國家級煤礦礦山災害實驗室，在煤炭安全上從科研到開發，我校都走在了全國煤炭領域的前列。

同時我們嵌入式實驗2003年成立，積累了很多的有關嵌入式系統設計的經驗，學校擁有眾多資深學者和教授，為中國煤炭事業和嵌入式的系統設計，發展培養了大量的人才。本次設計也得到有關老師的支持和鼓勵，同時通過向他們的請教，讓我們團隊成員對這一系統的設計有了更加深刻的認識。相信通過老師的指導和我們的努力我們一定能夠完成本次設計。

二、需求分析

2.1 功能要求

采煤工作面作為采煤工作的第一現場，那里的情況瞬時萬變，是整個井下安全體系中最關鍵的一環。本次設計將重點關注如何確保采煤工作面安全生產這一嚴峻問題。

保證生產過程安全所采取的措施中，除了增強工人自身安全意識外，另一個重要的因素就是完善基于各種監控設備的預警系統和控制系統。在影響采煤工作面安全的各種可檢測因素中，瓦斯濃度、頂板壓力、水位、粉塵濃度成為關鍵，同時為了便于地面監控中心實時了解井下的工作場景，實時的現場畫面監控也是必不不可少的。

綜上因素，本次設計要求能夠及時的，把采煤工作面頂板壓力、水位、瓦斯濃度、粉塵濃度等物理量數據進行采集，并通過嵌入式32位AVR微處理器處理后通過網絡及時上傳到位于地面上的監控中心，便于安全監察人員和生產調度部門觀察和抉擇。在緊急重大的情況下及時采取相關措施將危害降到最低。同時，也在現場把瓦斯濃度、頂板壓力、水位、粉塵濃實際的檢測的數據，進行必要的判斷和處理，以實現在一定的范圍內對以上參數進行自適應調節和自動控制，以達到提高現場工作效率和安全系數的目的。

2.2 性能要求

考慮到采煤工作面所在的特殊環境，要求所設計的產品能夠在這種特殊的環境下正常的運行。例如設計的低功耗性、防爆性、堅固性、和防潮絕緣性以及斷電保護等，而根據相關規定，凡是要應用到煤礦井下的電氣設備，其防爆性能要求較高，要么是保安型的，要么是本安型的。而要想得到以上資質，必須到相關煤礦防爆監測站進行有關的檢測，檢測通過后這些設備才能被用于井下作業。

針對本次設計大賽，由于受條件的限制，有關電氣設備的防爆等無法實現和模擬，只能從電氣設備的基本功能，結合嵌入式AVR微處理器的性能進行系統設計。

其它性能要求如下：

實時的采集采煤工作面的現場工作畫面并通過網絡向地面監控中心傳輸。為了達到實時的目的，采集圖像的速率需最低為5幅/秒 ，同時為達到圖像能正常傳輸這一目的，對采集的圖像需要采取合適的壓縮算法。

頂板壓力、水位、瓦斯濃度、粉塵濃度等物理量數據采集的采樣頻率分別是 10秒，50秒，30秒，30秒。同時為了使采集的數據平滑，需要對采集的數據選擇合適的數字濾波算法進行處理。

對采煤工作面頂板壓力，瓦斯，煤塵，水位等的控制，按照超過規定參數上限80%時，才采取自適應調節和自動控制。通過自行處理調整控制，使其始終保持在規定參數上限80%以下。當超過這些參數安全上限時開始報警并及時將相關信息上傳地面監控中心。

為更好的實現對采煤工作面頂板壓力，瓦斯，煤塵，水位等規定參數的自動控制，采取PID數字控制算法。

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

此次設計的系統功能示意圖如下圖3.1所示：

本次設計是以一個基于AVR32 AT32UC3A單片機控制器的EVK1100評估套件和開發系統為核心，再將各個功能模塊連接在一起，構成的一個完整系統。

首先由各種傳感器采集信號，包括瓦斯濃度傳感器、粉塵濃度傳感器、壓力傳感器、井下水位傳感器和視頻采集模塊等采集到的信號，先進行濾波、放大等處理，提取出其中有價值的信號，然后經過A/D轉換以后成為便于處理的數字信號。為了提高信號的有效性和平滑度需對其進行數字濾波。而圖像信號經過JPEG壓縮算法處理以后可以通過網絡，傳遞給用于監控的上位機。同時為了實現自動控制，對傳感器傳來的信號進行PID算法處理。當檢測到參數超出規定值以后，產生報警信號，并將這一信號傳寄給報警裝置和地面監控中心，同時發出控制信號，這一信號經過D/A轉換和放大處理以后對相關電機等進行控制，努力使相關參數恢復到正常范圍以內。

通過在系統中增加網絡模塊，可以實現數據在網絡中的有效傳輸，同時實現讓任何接入到網絡中的主機設備通過驗證機制以后都可以訪問到下位機傳來的數據。為了統籌管理各個硬件模塊的工作和充分利用系統的資源，在下位機中嵌入小型的uC/OS-II操作系統，同時為各個硬件模塊開發相應的驅動程序，以實現應用層軟件對底層設備的調用。

本次設計所涉及到的主要技術包括：①各信號的周期型采集實現；②模擬信號的濾波等處理；③數字濾波算法的實現；④uC/OS-II操作系統的移植；⑤相關驅動模塊的開發；⑥lwip網絡協議棧的嵌入；⑦自動閉環控制（PID算法）的實現；⑧JPEG圖像壓縮算法的實現。

3.2 系統硬件架構與資源配置

3.2.1系統硬件組成分析

系統的硬件總體結構框圖如圖3.2所示：

根據本次大賽的要求，考慮到本次設計對功能的要求以及其使用環境的特殊性，本次設計選用ATMEL公司的AVR 32 AT32UC3A芯片。這款芯片的指令集為緊湊型單周期RISC指令集，并且集成DSP指令集，具有很強的數據運算處理能力，并兼具高性能、低功耗等特點。完全能夠滿足本次設計所要求的性能穩定、功耗低等要求。為了充分利用系統的資源和發掘該款芯片的潛能，實現多任務的控制，在其中嵌入了實時性強可靠性高的操作系統uC/OS-II 。

在硬件的整體設計方面，主要分為四個部分，以各種傳感器和畫面采集器為中心的數據采集模塊，以濾波整形電路為主的模擬信號處理模塊，以MCU為中心的數字信號（數據）處理模塊，和以地面上位機為中心的數據顯示存儲和處理模塊。其中數據采集模塊根據信號的不同處理方式又可以分為兩類，以各種傳感器為中心的信號采集模塊和以攝像頭為中心的現場畫面采集模塊。

給系統上電以后，首先運行系統自檢程序，確認各個功能模塊正常以后，系統進入正常運行模式。通過定時裝置和給定的初始參數，系統依次選通各個信號采集模塊。各個傳感器和畫面采集器將采集到得模擬信號經過處理以后進行A/D轉換，然后提交給MCU。MCU根據預設計的程序處理各種信號，然后將處理好的信號傳送到地面信息監控中心和系統本身自帶的控制模塊。

這里以瓦斯控制為例，采煤工作面的上隅角往往是瓦斯濃度最高的地方，可以通過在上隅角放置瓦斯濃度傳感器，實時的檢測那里的瓦斯濃度，從而保證工作環境的正常和采煤區周邊環境的安全。系統采集到經過模擬信號處理和A/D轉換以后的數據，經過處理以后，將結果發往地面控制中心和系統自帶的控制模塊。系統自帶控制模塊根據需要適時自適用的控制通風機的轉速，將瓦斯的濃度控制在一個合理的范圍，同時系統本身也可以接受地面控制中心發來的控制信息，對通風機的轉速進行控制，從而實現系統的監和控。

考慮到實際的需要和處理器本身的處理能力，以及網絡數據的傳輸壓力。這里沒有采用實時視頻傳輸的方案，轉而采用既能滿足對進行狀況的實時監測又能充分利用系統資源減小功耗的方案：通過采集畫面的方式到達實時監控的目的。例如可以在規定的時間內多次采集采煤工作面現場的畫面（例如5幀/s），然后將采集到得畫面進行圖像壓縮處理，將處理后的數據上傳到位于地面的控制中心，在顯示器上顯示出采煤工作面的畫面，從而實現對井下采煤工作面的監控。

通過將采集處理以后的數據實時的傳輸到地面控制中心，存儲到數據庫。科研人員調用數據庫中的數據，并對其進行分析，從中總結規律，從而找到更好的更安全的作業方案，進而更好的保護人員的安全和采煤區環境的穩定。

3.2.2板卡選用說明

由于ATMEL公司生產的以AVR（R）32 UC內核為基礎的EVK1100平臺，其MCU支持３２位精簡指令集（RISC），擁有512K字節閃存， 并擁有一個內置的10/100以太網媒體接入控制器（MAC），有一個SRAM/SDRAM外部總線接口，而它主頻最高可達66MHz頻率，而且還提供有完整的集成開發環境（IDE）。可以對其直接進行程序的燒寫。此外板上還配備了LED矩陣，顯示模塊和足夠多的外聯接口等豐富資源。正是由于它具有的這些特點，可以很好的滿足本此設計的各個需求。通過在32位AVR MCU上移植優秀的小型uC/OS-II系統，使得整個系統的資源得到更好的使用。

并且通過板上豐富的外接接口，可以與自制的板卡進行連接，進而進一步擴展系統的功能，例如針對各種被檢信號的傳感器，現場畫面采集器、通風電機、井下壓力自動報警裝置、控制攝像頭轉動等，都可以通過接口與系統結合在一起。而且該平臺自帶以太網接口，可以方便的接入網絡，實現信息通過網絡進行的遠距離傳輸的需要，同時通過一定的保密機制，可以通過任何一臺接入網絡的電腦實時的訪問井下的監控系統，便于遠程監控的專家的指導。

3.2.3系統器件使用清單

針對整個設計作品資源的分配，可以參見表3.2中的器件使用清單。

表3.2 器件使用清單

器件名稱

用途

數量

器件名稱

用途

數量

EVK1100板

處理中心

1

攝像頭

截取圖像

1

云臺

控制攝像頭轉動

1

電腦

存儲/顯示

1

電機

模擬通風機

1

報警器

發出警告信息

1

瓦斯傳感器

檢測瓦斯濃度

若干

水位傳感器

檢測水位高度

若干

壓力傳感器

檢測壓力變化

若干

粉塵傳感器

檢測粉塵濃度

若干

電源

提供電壓

1

網線

傳輸信號

若干

3.3系統軟件架構

系統的軟件總體架構如圖3.3所示：

如圖3.3所示，根據工作平臺的不同，我們可以將軟件的設計從總體上分為兩部分，第一部分主要是在下位機中嵌入了小型操作系統uC/OS-II的工作平臺，第二部分是運行WindowXP操作系統上位機的工臺中以在下位機平臺上的系統開發為主。

在下位機工作平臺上，與3.1中硬件系統總體結構相對應的，我們又可以將軟件系統細分為四部分。這四部分分別為信號采集模塊、信號處理模塊、控制模塊和網絡數據傳輸模塊。在信號采集模塊主要完成的功能為信號的選通，即在約定的時間周期內依次處理各個傳感器或圖像采集器傳遞過來的數據；如3.1中所述，這里的信號處理模塊也分為兩部分：圖像信號處理作為單獨的一部分；瓦斯濃度信號、頂板壓力信號、粉塵濃度信號和井下水位信號的處理方法類似，所以把它整體看作一部分；電機控制模塊主要包括通風電機控制模塊和攝像頭的云臺控制模塊；在網絡傳輸模塊主要完成數據的上下傳輸，實現遠程控制等功能。實現各個功能模塊的程序通過uC/OS-II進行統一的調度。通過給底層硬件開發驅動程序，對上層軟件屏蔽器件的差距，方便應用層各功能模塊程序的實現，和通過操作系統提供的接口對最底層硬件的控制。

在上位機工作平臺上，借用上位機的顯示設備和海量的存儲空間，可以在基于微軟的操作系統平臺WindowsXP上開發出許多優良的軟件并實現對從下位機傳來的數據的存儲。為了更好便于監控中心人員的查看，可以通過圖形界面程序的設計增強人機的交互性和可觀性。同時除了數據顯示、數據存儲和傳遞控制參數以外，還可以通過程序設計，調用存儲在數據庫中的數據對其進行分析，進一步挖掘潛藏在數據中的信息，從其中總結規律，為以后的安全工作產生工作提供重要數據，進一步提高井下工作的安全性和對周邊生態環境的保護。

在這里給出的僅是系統軟件的整體結構框圖，重要模塊的程序實現流程將在3.4中闡述。

3.4 系統軟件流程

根據3.3的分析，在軟件的設計方面，主要分為下位機和上位機兩個部分。嵌入式系統（下位機）與通用型計算機系統（上位機）相比具有很多不同點，首先嵌入式系統通常是面向特定用戶群而進行設計的，通常具有低功耗、體積小、集成度高等特點，再次嵌入式系統的硬件和軟件都必須高效率地設計，同時嵌入式系統本身一般不具備開發能力。因此嵌入式系統和通用計算機系統在軟件設計和實現方面存在許多差異。下面我們將分別闡述在下位機和上位機上運行的各主要功能模塊的設計流程，其中以下位機的講解為主。

3.4.1 uC/OS-II 系統控制模塊

在下位機上，為了充分利用系統的資源，嵌入了一個成熟、開源的嵌入式操作系統uC/OS-II 。在本次設計中，uC/OS-II 的主要功能如圖3.4.1所示：

uC/OS-II是有美國嵌入式系統專家Jean.J.Labrosse編寫的一款源代碼開放的實時嵌入式系統。與其他嵌入式操作系統系統相比，除具有源代碼開放的有點外，他的可移植性強、功能相對強大，而且其穩定性與可靠性很高，因此本次設計選用這一款操作系統。

系統上電以后先運行自檢程序，如果系統的功能模塊出現異常，則產生報警信號，為了避免因發出聲音警報可能造成的恐慌，本次設計通過EVK1100自帶的LED燈陣列來提示異常，工作人員可以通過LED燈陣列顯示的不同信號快速的查詢到問題的所在點，及時的排除問題。

待判斷系統各功能模塊運行正常以后啟動uC/OS-II。uC/OS-II可以大致分成核心、任務管理、時間處理、任務同步與通信和CPU移植等五個部分。在本次設計中，這五個部分都將涉及到。如圖3.4.1所示，uC/OS-II正常啟動以后，開始執行任務調度、任務同步、內存管理和時間管理等功能模塊。其中網絡通信功能在uC/OS-II中并沒有提供，需要自己移植相關網絡協議棧。在本次設計中，我們選擇在uC/OS-II中移植lwip來實現TCP/IP協議棧。

lwip是瑞典計算機科學院的一個開源的TCP/IP協議棧實現，lwip是一個輕型的IP協議，有無操作系統的支持都可以運行，其對內存的需求并不高，差不多幾百字節的RAM和40K左右的ROM就可以運行，這使lwip協議棧適合在低端的嵌入式系統中使用。因此lwip可以很好的滿足本次設計的對網絡功能的需求。

3.4.2信號處理模塊的軟件設計流程

根據信號的特征和信號處理的方式，這一模塊的實現主要可以分為兩大部分：第一部分為對傳感器傳來信號的處理，它們的信號處理流程相似，我們一瓦斯信號的處理流程做例進行詳解；第二部分為圖像信號處理模塊，不同于前面所提到的信號的處理方式，其設計到圖像采集和壓縮等問題，因此我們將其實現流程單獨講解。

3.4.2.1非圖像信號處理軟件設計

（1）PID算法介紹

為了將瓦斯濃度維持在一個正常的水平，要求系統能夠接受地面控制中心的控制參數對通風電機進行控制，同時為了體現靈活性，要求系統在平時能夠自我調控，減少人的工作量。本次設計選用PID控制器實現平時系統的自我調節。系統能夠根據瓦斯的濃度自動調節通風電機的轉速，同時又能保證在緊急時刻將控制權交給地面控制中心。PID算法控制原理如圖3.4.2.1-1所示：

PID是比例、積分、微分的縮寫，將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制，這樣的控制器就稱為PID控制器。本次設計之所以選擇PID控制器，主要是考慮到PID具有以下優點：技術成熟、易被人們熟悉和掌握、不需要建立數學模型、控制效果好。

如圖3.4.2.1-1所示，該系統有模擬PID控制器和被控對象組成。圖中，r（t）是給定值，y（t）是系統的實際輸出值，給定值與實際輸出值構成控制偏差e（t），有e（t）=r（t）-y（t）。e（t）作為PID控制器的輸入，u（t）作為控制器的輸出和被控對象的輸入。

模擬PID控制器的控制規律為：

式3.4.2.1

其中：y（t） ——調節器的輸出信號；

e（t） ——調節器的偏差信號，它等于給定值與測量值之差；

KP ——調節器的比例系數；

TI ——調節器的積分時間；

TD——調節器的微分時間。

在式3.4.2.1中，比例環節的作用是對偏差瞬間做出快速反應。偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。積分環節的作用是把偏差的積累作為輸出。在控制的過程中，只要有偏差存在，積分環節的輸出就會不斷增大。直到偏差e（t）=0，輸出的u（t）才可能維持在某一常量，是系統在給定值r（t）不變的條件下趨于穩態。微分環節的作用是組織偏差的變化。它是根據偏差的變化趨勢（變化速度）進行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變化之前進行修正。微分作用的引入，將有助于減少超調量，克服震蕩，使系統趨于穩定。

（2）瓦斯控制模塊程序流程

瓦斯控制模塊的流程如如圖3.4.2.1-2所示：

本程序在采樣時刻到達以時，才會打開相關信號通道，在本模塊中先采集瓦斯濃度信號，然后程序運行。

為了保證所設計產品的實用性和靈活性，允許其根據實際需要，因使用環境的不同或其它一些因素調節相應的初始參數。在程序的每次運行的開始都要檢測是否有修改參數的請求，若有則保存修改后的參數，然后采集經A/D轉換后的瓦斯濃度信號。通過數字信號濾波以后，將有用的信號傳寄給PID控制單元，并通過網絡模塊上傳到上位機。

數字濾波具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復用、便于集成等優點。常用的數字濾波方法有算數平均值濾波、中位值濾波、慣性濾波、加權平均值濾波和限幅濾波。從實際需要，本次設計采用的是算數平均值濾波。公式如下所示：

算數平均值濾波可以對周期脈動的采樣值進行平滑加工。可以提高本次設計所采集數據的精確度。

（3）自動閉環過程控制模塊框圖

自動閉環控制過程如圖3.4.2.1-4所示

PID算法的基本概念已經在（1）中介紹過，如圖3.4.2.1-4整個過程為一個閉環控制。通過瓦斯濃度傳感器檢測到的濃度信號，經過模擬信號處理電路以后過濾掉干擾信號，然后經A/D轉換器轉換為便于MCU處理的數字信號。為了提高測量的精確度需要對數字信號進行濾波處理。經過數字濾波處理后，進入PID控制單元，控制信息經過D/A轉換后成為模擬信號，為了對執行機構形成有力的驅動需要對其進行放大，因此添加了功率放大模塊。這里執行機構主要指電機等電氣設備，通過對其控制將被控對象（瓦斯）等控制在一個合理的范圍，同時起到整體減少功耗的目的。

針對PID控制模塊的程序實現，如圖3.4.2.1-3所示。在本模塊程序運行之前先要檢測是否有來自于上位機的控制信號，若有，在跳過PID運算模塊直接對被控量進行控制，否則，通過采集到得相關數據，自動的計算出用于PID運算的相關參數，然后利用這些參數進行PID運算，并產生信號量對被控端進行控制，努力使環境變量維持在正常水平。例如瓦斯濃度過高則加大通機轉速，如瓦斯濃度正常維持通風機速率不變，若瓦斯濃度很低可以適度的降低通風機的轉速以減小功耗。此外通過檢測e（t）的大小判斷瓦斯濃度是否超過正常值，若超過則產生報警信號。

3.4.2.2 圖像信號處理

為了更快更好的網絡中的傳輸圖像，需要對采集到的信號進行壓縮處理，壓縮后的圖像在保持不失真的情況下，可以降低網絡流量，加快傳輸速度。

在綜合考慮對采集到的圖像信號進行處理可以選用的各種算法后，我們最后決定選用JPEG圖像壓縮算法。通過JPEG圖片壓縮算法能夠將所采集到得圖像壓縮成可以滿足需求的數據格式，而且考慮到JPEG格式是使用最廣泛的圖片格式，它采用的是特殊的壓縮算法，將不易被人眼察覺的圖像顏色刪除，從而達到較大的壓縮比（可達到2:1甚至40:1），有“身材嬌小，容貌姣好”的美稱，同時其算法在本次有限資源的開發平臺中可以得以實現，因此本次設計選用JPEG壓縮算法。

如圖3.4.2.2-1所示，其所表達的是JPEG編碼的整個工作方式的原理圖，其流程主要為①色彩空間轉換及采樣，②正向離散余弦變化（FDCT）， ③量化（Quantization），④直流系數（dc）的差分編碼、直流系數（ac）的zig-zag掃描及行程編碼，⑤熵編碼（Entropy Coding）。

如圖3.4.2.2-2所示，為圖像處理模塊的整體流程圖。定時周期到達后，系統每次調用本程序模塊運行時都要先查看是否有來自上位機的控制云臺轉動的消息。如有則根據其參數將攝像頭轉動到合適的角度，然后再進行現場畫面的采集。系統每隔一段時間就采集一次經模擬信號處理單元處理以后再經A/D模塊轉換后的圖片數據。然后將相關數據傳寄到圖片壓縮模塊，實現對圖像數據的編碼處理。這樣使得圖像的數據更小、更容易在信道上傳播、也方便對圖像的保存和查看。經壓縮編碼處理后的圖像數據通過網絡傳輸模塊送至上位機，上位機通過相應的JPEG解碼程序就可以實現對壓縮圖片的正常顯示，并將相關數據進行存儲以備以后查詢。整個JPEG圖像壓縮算法的具體實現流程參見圖3.4.2.2-3。

3.4.3上位機主要功能模塊的軟件實現

在上位機的各功能模塊中，主要的功能模塊就是對數據的分析和顯示。其程序流程框圖如圖3.4.3所示：

程序正常運行以后，在平時的工作模式下（大多數時間內）系統僅是接收來自下位機的數據，然后將數據存儲到數據庫中并在屏幕上顯示出來便于地面監控中心工作人員的查看。同時也可以調用數據庫中的數據進行分析，并將結果在屏幕上顯示出來。

如果下位機傳來的是報警信號，則系統除了存儲和顯示相關信息外，還會啟動地面緊急報警裝置，提醒監控中心的人員井下發生緊急狀況，可以讓相關人員及時采取措施，將可能造成的危害降到最小。

當程序檢測到有控制信號產生以后，立即通過網絡給下位機發送強制控制信號，指導下位機完成控制動作。實現遠程監控的作用。

3.5 系統預計實現結果

根據前面得分析，本次設計能夠成功的實現預定的功能，且滿足相關的性能要求。最終所完成的作品能夠及時的對瓦斯濃度、頂板壓力、粉塵濃度、水位和現場畫面等信息進行采集，并且經過相應的針對各種信息的成型模塊處理以后，將結果實時傳輸到位于地面的監控中心。而且根據某些特殊需求，其它連接在網絡上的通過驗證的主機也可以獲得這些信息。當檢測到得信號出現異常時，例如超出某個根據實際情況預設的范圍后，系統本身除自我調控以外還能夠及時的發出報警信息，提醒井下工作人員立即撤離，并由監控中心的工作人員及時做出部署，盡量將損失盡量降低到最低。

上位機程序的運行預期界面如下圖所示：