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1、2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛项目报告题 目： 智能井下预警及求救系统 学校： 云南大学 指导教师： 王威廉 组别： 专业组 应用类别： 仪器仪表类 平台： Cortex-M3 (LM3S9B92) 参赛队成员名单（含每人的邮箱地址，用于建立人才库）：唐荣斌：魏静文：张 娜：视频文件观看地址（若未拍摄，请注明）： http:/ 手机15025127810题 目： 智能井下预警及求救系统- 1 -摘要- 1 -关键字Cortex-M3、ZigBee、井下环境监测- 1 -1.引言- 2 -立题背景及目的- 2 -目前完成的主要工作- 2 -2.系统方案- 3 -系统方案
2、概述- 3 -系统方案框图- 4 -系统示意图- 5 -3.系统硬件设计- 5 -MCU主控芯片的选择- 5 -地下有线通信方式的选择- 5 -地下无线通信方式的选择- 6 -SPI总线转CAN总线模块- 6 -传感器及报警电路- 7 -气体浓度检测电路- 7 -温度测试电路- 8 -光照强度测试电路- 8 -报警电路- 8 -4.系统软件设计- 9 -MCU主控机程序设计- 9 -PC端监控程序设计- 10 -帧结构规范- 12 -均值滤波器设计- 13 -ZigBee系统事件- 14 -系统按键事件的处理- 16 -固定工人ID号方法- 16 -MCU主控机上的Shell外壳- 17 -5
3、.系统创新- 17 -本系统创新之处包含以下几个方面- 17 -6.评测与结论- 18 -系统测试方法和达到的指标- 18 -参考文献- 18 -附录- 19 - 17 -题 目： 智能井下预警及求救系统 摘要本文从我国矿难事故频发的背景出发，提出了以Cortex-M3为开发平台的、基于ZigBee和CAN总线技术的智能井下预警及求救系统。该系统可以实时监测和记录井下工人所在位置的各种环境参数值，在瓦斯浓度超过设定值时向工人及井上监控中心发出警报信号。同时，当发生突发事故时工人可以发出报警信号，告知附近的工人和井上监测人员，此外，监测人员可根据本系统标识并定位该工人。关键字Cortex-M3、
4、ZigBee、CAN总线、井下环境监测AbstractThis article is set out against the background of the high frequency of Chinas mining accidents, smart underground warning and help system is proposed according to the Cortex-M3 development platform based on ZigBee and CAN bus. The system can monitor and record the various
5、 environment factors in workers location in real-time, and it can send an alarm signal to workers and ground monitoring center when mashgas concentration exceeds the set value. Meanwhile, workers can send alarm signal to inform monitors on the ground and nearby workers when an unexpected accident oc
6、curs, in addition, monitors can identify and locate the workers based on the system.Keywords: Cortex-M3, ZigBee, Can bus, Environmental monitoring underground1. 引言立题背景及目的近几年，国内矿难事故频发。每一起事故的发生都是那么的触目惊心。煤矿安全事故问题存在很久了，已经造成太多人员的伤亡，根据国家安全生产监督管理总局的统计， 2010年，全国发生煤矿安全事故1403起，死亡2433人。2011年，全国发生煤矿安全事故1201起，死亡
7、1973人。我国矿难的死亡人数占全球矿难死亡人数的80%左右。据以上数据，可以较清楚的看到一直以来频发的矿难是困扰我国安全生产的重大问题。对于作为大学生的我们，应该加强这方面的科技研究。煤矿安全事故中，瓦斯爆炸占了很大的一部分。瓦斯突出问题在我国至今没有得到根本解决，往往是出了事故，处理完了就完了，并没有真正分析事故原因，防止类似事故重复发生。为了工人的生命安全，降低死亡率，我们针对瓦斯爆炸做了具体的分析，找出瓦斯爆炸的原因，分析这些原因，从而得到具体的方案。 “瓦斯”是一种有毒的混合气体，主要含有甲烷和一氧化碳两种气体，常产生在矿井之中，如遇明火，即可燃烧，发生“瓦斯”爆炸。瓦斯爆炸产生的高
8、温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒，直接威胁着矿工的生命安全。通过对矿井下环境的监测，可以预测到瓦斯爆炸，进而让工人提早退出矿井，对矿井中的瓦斯气体进行疏通，从而避免惨剧的发生。另外，我们发现当矿难发生时，搜救人员很难确定遇难工人的位置，他们要花很长的时间确认工人的位置，然后再进行搜救。当矿难发生时，对于工人及其家属，时间就是金钱，可能就是这几分钟确定位置的时间，对工人却是生死关头，因此，我们要求系统具有能够大致确定井下工人位置的功能。除了发生事故时，在平时
9、的日常生产工作中工人可能会遇到某些突发情况（如摔伤），如果工人能够在遇到突发情况向地上检测中心发出求救信号，并且能够通知在周围工作的工人前来救助，那么这些突发情况就能尽快的解决。因此我们在这个系统中还增加了智能求助的功能。目前完成的主要工作我们在基本完成整个系统过程中主要的工作包括以下几个方面：1) 在比赛的初期，我们查阅了大量的相关资料，确定了我们的研究的主题和方向；2) 明确方向后组员之间进行分工，然后各自学习相关的理论知识，比如，矿难产生的原因、嵌入式系统研发、各种应用软件、计算机语言等等。3) 参加各种有关Cortex-M3、ZigBee、无线传感器网络学术的讲座，同时，向老师、同学沟
10、通和请教；4) 利用TI公司的Z-Stack协议栈、各种ZigBee书籍,熟悉ZigBee开发平台及其应用。5) 通过分析瓦斯爆炸的原因及井下的环境，选择甲烷、一氧化碳、烟雾、温度、光照五个环境参数，并确定系统方案。在此基础上设计系统电路、制作电路板，并与ZigBee节点相连构成无线传感器节点。6) 对传感器节点进行编程，使之具有数据采集、处理、发送及预警求助功能。7) 利用C语言将ZigBee操作系统扩展到自己工程中，然后结合Z-Stack协议栈编写自己的工程，包括任务初始化、事件定义、接口配置、信号采集、节点绑定与通信等，使ZigBee协调器作为一个转发器完成数据帧转发功能；8) 熟悉TI
11、公司的LM3S9B92芯片以及Stellaris驱动库的使用，编写MCU主控机程序，使之能够与CAN总线和转发器通信，并能够通过串口或者以太网与PC机进行通信。9) 开发PC机端的监控程序,使之具有监控和预警功能。10) 对整套系统进行综合测试，完成文档、拍摄视频和照片，已达到预期目的。整个系统已全部调通，正在做进一步完善，可以演示。2. 系统方案 系统方案概述本系统是一个集预警求助于一身的智能型系统，主要用于检测井下作业人员所在点的环境情况（甲烷、一氧化碳、烟雾、温度、光照等五个环境参数），并能够实时的将各测量值发送到地上监控中心的电脑上进行显示和记录，当出现有测量值超过预设值时能够发出报警
12、信号通知作业人员提高警惕，同时报警信号也会在地上监控中心的电脑上发出以方便地面上尽快做出紧急预案部署。不幸发生事故之后只要在井下有线通信线（CAN总线）不中断的情况下能够和地面上进行简单的通信并大致的定位底下人员的所在位置，为营救方案提供参考。该系统以预防为主，防治结合，从而减少矿难的发生率，在矿难发生的情况下减少死亡率。我们为每个在井下作业的工人配备一个无线传感器节点，传感器的供电是通过工人所带的电瓶进行供电，在工人所经过的路线上会沿路放置一些转发器（即ZigBee协调器），特别是拐角的地方。工人在移动的过程中身上携带的传感器节点能够自动和不同的转发器进行通信，把监测到的数据发送出去。转发器
13、和工人所携带的无线传感器节点都有唯一的一个ID号（一个工人对应进一个节点ID号），发送到电脑上的数据帧包中除了包含所测量得到的环境参数外，还有传感器节点的ID和转发器的ID。由于转发器的位置是固定的，而Zigbee无线通信的距离是有一定范围的，因此，地面监控中心收到数据之后除了知道环境状况之外，还能够知道无线传感器节点（工人）目前所处的大致位置，这也为发生矿难之后的营救工作提供了一定的参考依据。井下作业人员随身携带的无线传感器节点与距离它最近的固定的转发器之间能够组成一个临时的传感器网络，传感器节点周期性的将需要进行测量的各个环境参数模拟量通过A/D转换变成数字量，并判断是否超过了所设置的上限
14、或下限，如果超过了就通过蜂鸣器进行报警以通知工人提高警惕。同时，传感器节点会将它所得到的测量值和它自身的ID组成一个无线数据帧通过Zigbee方式发送到距离它最近的转发器上，转发器收到传感器节点发来的数据帧之后会在数据帧前面加上转发器的ID组成一个新的适合在CAN总线上进行传送的数据帧发送到CAN总线上。和CAN总线相连的MCU主控机收到CAN总线上传来的数据帧之后将该数据帧转换成能够通过串口或者以太网方式传送的串口帧或者以太帧向地上监控中心的监控电脑发送。监控中心的电脑收到从MCU发送来的数据帧之后(串口或者以太网方式)将更新监控界面上对应传感器节点（工人）上的对应的测量值，当环境参数值超过极限值时，监测中心的电脑也会发出报警声。监测中心的电脑将记录任意时刻收到的数据，为发生事故之后对事故原因分析提供依据。另外，当意外事故发生时（如工人摔伤），工人可以按下其携带的传感器节点上的求救按钮，此时传感器节点和监测中心都会发出报警信号。传感器节点发出报警声时，四周的工人将过来援助；监测中心发出报警声时，可以根据转发器和传感器的ID号来确定其位置和身份。系统方案框图图1 系统方案框图系统示意图图2 系统示意图3. 系统硬件设计MCU主控芯片的选择选择LM3S9B92作为主控芯片主要基于以下几个
