一、项目概述
1.1 引言
煤炭、石油等化石能源是我国能源供应的主体，特别是煤炭在保障我国能源安全中，起着基础性作用。在我国目前的能源结构中，煤炭仍占能源总量中的70%左右。 可见煤炭已成为支撑我国经济发展的中坚力量，并且这一现状在短时间内不会有太大变化。
在我国最新制定的煤炭科技十二五发展规划中，提出了“绿色开采与生态矿山”的概念，这就要求提高煤矿生产的安全和采矿区周边环境的保护。虽然国家和企业已经为了改善生产条件作了很大努力，但这依旧是一个没有完全解决的问题。在我国煤炭生产中，不安全事故频频发生，对环境的破坏和因此导致的死亡事件也屡屡见诸报端。要解决这一现况，除了提高工人作业水平以外，必须要加大对矿井安全设备的投入。本此设计所选定的项目就是立足于实际，以促进煤炭安全生产和环境保护为目标。可以有效的减少矿井事故的发生，最大限度保证井下人员的安全和采矿区周边环境的和谐。
结合我们对煤炭严峻形势的认识和本次大赛的主题，我们将选题方向煤矿安全生产集中监控领域。本次设计对构建和谐社会和可持续性发展社会将具有十分重要的意义。
1.2 项目背景/选题动机
煤矿在我国的国民生产生活和经济发展中起着举足轻重的作用。现在中国发电量的大部分来自于煤电，煤炭经济在我国GDP中占有很大比重，可以说煤一朝一夕都在影响着中国的每一个家庭的生活。可是我们不能忽视的是，在煤炭产业促进我国经济发展和GDP增长的同时，在煤炭生产中所产生的安全问题和对环境的破坏问题让我们不得不去关注。
2005年3月9日，山西吕梁交城矿难，28人死亡
2006年2月1日晚上7时许，山西省晋城煤业集团所属寺河煤矿发生瓦斯爆炸事故，造成23名矿工死亡，另有53人一氧化碳中毒。
2007年03月06日湖南邵阳市邵东县宏发煤矿在维修巷道时发生瓦斯爆炸，15人死亡。
2008年01月20日，山西临汾市汾西县煤矿发生炸药爆炸，20人死亡。
2009年01月20日21时0分， 山西临汾地区汾西县永安镇蔚家岭村一非法私开煤矿窝点发生瓦斯爆炸，造成20人遇难。
……
当然这只是列举了一部分实例，这些惊心的实例时刻都在提醒我们煤炭安全生产的重要性。造成这一现象除了人为因素外，安全检测设备的落后和不到位也是一个重要的原因。中国的许多煤矿企业在生产中，伴生着严重的资源、环境、安全等问题，如果这一问题得不到解决将影响长远发展，这与可持续性发展的理论是背道而驰的。据调查，全国的煤炭企业除46%的高突矿井外，大部分已进入深水平开采，渗水、瓦斯、坍塌等已成为越来越大的安全隐患。增加新的高性能检测设备成为解决煤矿安全问题的关键，同时考虑到很多中小心型煤矿企业的在安全设施方面的投入能力，开发出一套经济实惠，使用方便，安全高效的安全检控设备成为当今中国大多数煤炭企业的迫切需求。
采煤工作面作为整个采煤作业现场的第一工作区，容易发生瓦斯爆炸、漏水和冒顶等事故，一旦发生矿难不但会直接影响到采煤工人的生命安全，更可能会对周边环境造成严重的破坏。因此，采煤工作区作为事故地带，是构成整个煤矿安全体系的最关键一环。如何保证采煤工作面的安全生产，一直是一个难以解决的严峻课题。
ATMEL公司的32位AVR嵌入式微处理器性能高、功耗低、价格适宜，特别是芯片内部集成了网络接口，简化了网络数据传送和远程控制实现的难度，它强大的数据处理能力为数字信号的处理提供了有力的支持，除此之外它还具有其它优良的性能，成为完成本次设计的最佳选择。本次设计拟采用基于AVR 32 AT32UC3A单片机控制器的EVK1100评估系统和开发系统为基础开发平台，结合套件本身所提供的资源，通过扩展其它板卡实现设计中要求的全部功能。鉴于AVR以上的优点，结合目前的煤矿采煤工作面的安全监控存在的不足，设计一款基于32位嵌入式AVR微处理器的采煤工作面安全集中监控系统，提供了一种新型嵌入式的方案，以达到进一步提高采煤工作面的安全性和可靠性。
考虑到作品的实用性，除实现对采煤工作面的监控以外，通过简单的修改(设计本身支持这种裁剪和功能扩成)，本次设计成果也可以很容易的转换到其它安全监控领域，如其它采矿工作的安全监控、家居安全的监控、工厂生产车间安全生产和仓库防盗的监控、道路安全运营的监控等等。
山东科技大学原名山东煤矿学院，对煤炭的生产和研究都有很长的历史，在几十年的发展中积累了丰富的经验，在煤炭研究领域建立了健全的体系。目前拥有国家级煤矿矿山灾害实验室，在煤炭安全上从科研到开发，我校都走在了全国煤炭领域的前列。
同时我们嵌入式实验2003年成立，积累了很多的有关嵌入式系统设计的经验，学校拥有众多资深学者和教授，为中国煤炭事业和嵌入式的系统设计，发展培养了大量的人才。本次设计也得到有关老师的支持和鼓励，同时通过向他们的请教，让我们团队成员对这一系统的设计有了更加深刻的认识。相信通过老师的指导和我们的努力我们一定能够完成本次设计。
二、需求分析
2.1 功能要求
采煤工作面作为采煤工作的第一现场，那里的情况瞬时万变，是整个井下安全体系中最关键的一环。本次设计将重点关注如何确保采煤工作面安全生产这一严峻问题。
保证生产过程安全所采取的措施中，除了增强工人自身安全意识外，另一个重要的因素就是完善基于各种监控设备的预警系统和控制系统。在影响采煤工作面安全的各种可检测因素中，瓦斯浓度、顶板压力、水位、粉尘浓度成为关键，同时为了便于地面监控中心实时了解井下的工作场景，实时的现场画面监控也是必不不可少的。
