引 言

在煤礦的開采過程中會釋放出大量的有毒有害氣體和可燃性氣體，如 CH4、H2S、CO 等，當(dāng)這些有毒氣體達(dá)到一定濃度時，就會使人呼吸困難，嚴(yán)重時將發(fā)生甲烷爆炸，對井下工作人員的生命和財產(chǎn)安全造成很大威脅[1]。因此，為了盡可能的降低風(fēng)險，通過檢測設(shè)備對環(huán)境氣體進(jìn)行分析并提前傳達(dá)警報信息十分必要。目前，我國煤礦井下采用的檢測設(shè)備普遍存在智能化程度不高、運(yùn)行速度慢、實時性圖形化不強(qiáng)等問題。基于此，本文研究了一種基于 ARM9 的便攜式礦用智能檢測儀。該檢測儀采用高性能的激光甲烷傳感器，能夠快速準(zhǔn)確地檢測氣體濃度，對采集到的氣體環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，并通過 4G 模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

1 檢測儀總體結(jié)構(gòu)

該礦用智能檢測儀以S3C2440A 微處理器為核心控制器， 由觸摸屏顯示模塊、預(yù)警報警模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線通信模塊、電源模塊等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2 檢測儀硬件設(shè)計

2.1 傳感器檢測原理及選型

目前應(yīng)用于礦井下甲烷濃度的檢測方式主要有熱導(dǎo)式、光干涉式、紅外吸收式等。

(1) 熱導(dǎo)式氣體傳感器利用所測氣體與空氣之間存在的熱導(dǎo)率的差值來實現(xiàn)對氣體濃度的檢測；

(2) 光干涉式氣體傳感器利用光波在空氣和瓦斯中的不同傳播速度產(chǎn)生的光程差引起干涉條紋移動的原理來測量甲烷濃度；

(3) 紅外吸收式氣體傳感器利用不同氣體對紅外光有著不同吸收光譜及部分氣體的特征光譜吸收強(qiáng)度和氣體濃度相關(guān)的原理來測量甲烷濃度[2]。

結(jié)合以上甲烷濃度測量方法的優(yōu)缺點，該檢測儀選用武漢六九傳感科技有限公司的微型集成式激光甲烷模塊作為甲烷濃度檢測傳感器。

2.2 微處理器選型

數(shù)據(jù)采集模塊選擇 MSP430單片機(jī)作為微處理器。MSP430系列單片機(jī)是由美國德州儀器設(shè)計的一款 16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器 [3] ； 核心控制器選擇 S3C2440AARM9處理器作為主控芯片。S3C2440A是由三星公司設(shè)計的一款低功耗、高性能 32位RISC微處理器，它采用ARM920T的內(nèi)核，集成了豐富的片上資源，方便開發(fā)者對應(yīng)用程序的開發(fā)，同時減少了開發(fā)者對外圍部件的設(shè)計，大大縮短了開發(fā)周期 [4]。

2.3 觸摸屏顯示模塊

S3C2440A 微處理器內(nèi)部集成了相應(yīng)的觸摸屏接口，此接口可以直接與四線觸摸屏相連。該模塊設(shè)計選用統(tǒng)寶公司生產(chǎn)的 3.5 寸真彩LCD，分辨率為 240×320。

2.4 預(yù)警報警模塊

預(yù)警報警模塊由蜂鳴器、發(fā)光二極管、微型震動馬達(dá)組成。當(dāng)甲烷濃度暫處于較低危險濃度但正以較快速度逼近較高危險狀態(tài)時，紅色 LED 燈不停閃爍以預(yù)警工作人員在一段時間內(nèi)甲烷濃度將超限；當(dāng)氣體超限時，蜂鳴器發(fā)出報警聲響， 與此同時微型馬達(dá)發(fā)生震動，紅色 LED 燈閃爍，相應(yīng)的氣體濃度值在觸摸屏上閃爍，提示甲烷濃度超限，警示工作人員采取相應(yīng)措施。

2.5 數(shù)據(jù)存儲模塊

甲烷檢測儀在工作時會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)（包括甲烷濃度、報警狀態(tài)等），為了將這些數(shù)據(jù)儲存起來，方便工作人員查閱及分析，就需要有特定的數(shù)據(jù)存儲模塊。

S3C2440A 控制器雖然自帶 4 K 的 Boot Internal SRAM 芯片，但為了滿足系統(tǒng)的存儲量，本設(shè)計選用了ATMEL 公司生產(chǎn)的容量為 64 K 的E2PROM 芯片AT24C64 來擴(kuò)充系統(tǒng)的存儲量，AT24C64 芯片可進(jìn)行百萬次程序編寫與擦除，數(shù)據(jù)可長期保存且不容易丟失

0.1 2.6 無線通信模塊

      因為礦井下的信號比較微弱，無法實時傳輸數(shù)據(jù)，本設(shè)計采用無線通信方式，工作人員在離開礦井之后可以通過開啟無線通信功能向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

本設(shè)計的無線通信模塊選用移遠(yuǎn)通信 EC20 4G 模塊。EC20 4G 模塊的最大上行速率可達(dá) 50 Mb/s，最大下行速率可達(dá) 100 Mb/s，同時支持移動、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營商。

檢測儀軟件設(shè)計主要包括嵌入式操作系統(tǒng) Linux 的移植以及在Qt 框架平臺上開發(fā)基于操作系統(tǒng)的用戶界面應(yīng)用程序。

3.1 Linux系統(tǒng)的移植

與其它操作系統(tǒng)相比，Linux 最大的特點就是它是一款遵循 GPL 的操作系統(tǒng)，我們可以自由地使用、修改和擴(kuò)展。為提高CPU 的利用率，我們需要對原有系統(tǒng)進(jìn)行裁剪和優(yōu)化， 制定符合實際要求的特有系統(tǒng)。

Linux 系統(tǒng)移植包含內(nèi)核的移植和系統(tǒng)的移植。

3.1.1 內(nèi)核的移植

Linux 內(nèi)核由進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)五個功能部分組成。在系統(tǒng)移植時，主要改動的是進(jìn)程管理、內(nèi)存管理和設(shè)備管理中被獨立出來與硬件相關(guān)部分的代碼。在Linux 代碼樹下，這部分代碼全部在 arch 目錄下。

3.1.2 系統(tǒng)的移植

系統(tǒng)移植實際上是一個最小系統(tǒng)的重建過程，包括 init、libc 庫、驅(qū)動模塊、必須的應(yīng)用程序和系統(tǒng)配置腳本。

3.2 應(yīng)用程序的設(shè)計

應(yīng)用程序設(shè)計主要實現(xiàn)以下幾個功能：

(1) 礦井氣體的數(shù)據(jù)采集，實時曲線顯示，氣體指數(shù)超標(biāo)報警；

(2) 溫度數(shù)據(jù)采集，實時曲線顯示；

（3）狀態(tài)分析功能，完成各傳感器工作狀態(tài)評估、系統(tǒng) 硬件運(yùn)行狀態(tài)評估、綜合狀態(tài)決策等 ； 

（4）無線模式啟動功能，系統(tǒng)將存儲模塊的數(shù)據(jù)通過無 線模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。 

程序設(shè)計采用了 Linux 嵌入式實時操作系統(tǒng)模塊化編程 的思想。通過 C 和 C++ 語言分模塊編寫子程序，不僅方便系 統(tǒng)集中管理，還有利于修改和擴(kuò)展相應(yīng)的功能。系統(tǒng)軟件框 圖如圖 2 所示。

檢測儀啟動后首先對各子模塊進(jìn)行初始化，初始化完成 后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)經(jīng)子程序運(yùn)算處理后，在觸摸屏上顯 示相應(yīng)的數(shù)值和圖形。當(dāng)檢測到的甲烷濃度超限時（即超過 設(shè)定值），報警電路開始工作，發(fā)光二極管、蜂鳴器和微型震 動馬達(dá)同時發(fā)出報警信號 ；當(dāng)檢測到的甲烷濃度未達(dá)到上限 值但正以較快速度逼近較高危險狀態(tài)時，預(yù)警電路開始工作， 發(fā)光二極管發(fā)出報警信號。系統(tǒng)軟件流程圖如圖 3 所示。

4 結(jié) 語

本文利用 ARM9 內(nèi)核微處理器 S3C2440A 與 Linux 操作 系統(tǒng)的組合，設(shè)計了一種靈敏度高、響應(yīng)時間短、準(zhǔn)確性高、 抗干擾性強(qiáng)，適合便攜式測量的礦用智能檢測儀。它可以有效 解決傳統(tǒng)甲烷濃度檢測裝置誤報漏報的問題，同時大大增強(qiáng) 了顯示直觀性，拓寬了儀器的適用范圍，對工礦、氣站等甲烷 集中安全生產(chǎn)與運(yùn)營有著極其重要的作用。