樊寬剛，么曉康，李 革

(1.江西理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，江西 贛州341000;2.北京大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 深圳518055)

0 引 言

工業(yè)信息化的發(fā)展帶動了礦業(yè)的持續(xù)繁榮，然而，國內(nèi)外開采與監(jiān)測技術(shù)依然不能滿足礦井生產(chǎn)需要。加拿大、南非和我國等國家礦產(chǎn)開采已超過千米深度甚至更深［1］。當開采深度不斷增加，原巖溫度升高而誘發(fā)巖體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化隨之產(chǎn)生更多的開采問題或次生災(zāi)害。據(jù)文獻［2］統(tǒng)計，南非和日本部分礦井溫度超過50℃，我國開采深度超過1 000 m 的礦井工作面溫度和原巖溫度分別達34 ～36 ℃，40 ～45 ℃，致使大部分礦井受熱害威脅。此外，我國部分金屬礦井巷道環(huán)境的監(jiān)測采用人工巡邏監(jiān)測或有線安裝復(fù)雜等［3］。文獻［4］利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究。Zig Bee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)因其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點低成本，低能耗，可大規(guī)模組網(wǎng)的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用［5］。

針對礦井深度開采的熱害監(jiān)測和現(xiàn)存有線監(jiān)測不足，并結(jié)合金屬礦井生產(chǎn)實際，設(shè)計一種礦井WSNs 環(huán)境熱害監(jiān)測系統(tǒng)，然后，對監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)篩選方法進行了深入研究。

1 系統(tǒng)整體方案

本金屬巷道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由Zig Bee 子網(wǎng)、WiFi 子網(wǎng)、Zig Bee 子網(wǎng)與WiFi 子網(wǎng)之間的連接部分、手持式監(jiān)測端、井上數(shù)據(jù)處理中心等主要部分構(gòu)成。

Zig Bee 子網(wǎng)由溫濕度傳感器感知節(jié)點、二氧化碳(CO2)傳感器感知節(jié)點、煙霧傳感器感知節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點構(gòu)成。WiFi 子網(wǎng)由工作在無線AP 模式無線WiFi 節(jié)點構(gòu)成。Zig Bee 子網(wǎng)與WiFi 子網(wǎng)相互連接部分通過RS—485 轉(zhuǎn)RJ—45 模塊構(gòu)成。手持式監(jiān)測端是一種可隨身攜帶的監(jiān)測終端。井上數(shù)據(jù)處理中心由服務(wù)器、顯示器、PC，數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。系統(tǒng)總體設(shè)計方案結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案架構(gòu)圖Fig 1 Architecture diagram of system overall design scheme

2 系統(tǒng)硬件

IEEE 802.15.4 任務(wù)組針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(LR－WPAN)在IEEE 802.15.4 標準中定義了兩種器件:全功能設(shè)備和簡化功能設(shè)備［6］。本設(shè)計將Zig Bee 感知節(jié)點設(shè)計為簡化功能設(shè)備，協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由節(jié)點設(shè)計為全功能設(shè)備。

為了減少此系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)能量消耗，本設(shè)計選用低功耗高集成度微射頻SoC 芯片CC2530 F256 作為核心硬件器件，該芯片具有8 kB 超低功耗的SRAM 和21 個通用I/O 引腳，集數(shù)據(jù)處理和無線通信于一體，支持IEEE 802.15.4 協(xié)議的2.4 GHz 無線通信頻帶。通信節(jié)點包括:感知節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和復(fù)合節(jié)點四種。

感知節(jié)點處于監(jiān)測系統(tǒng)底層，數(shù)量眾多，其硬件設(shè)計原理圖如圖2 所示，其主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)收發(fā)、電源模塊以及I/O 接口等外設(shè)。其中數(shù)據(jù)采集部分的傳感器將礦井中的溫濕度、CO2濃度、煙霧粉塵狀況等環(huán)境數(shù)據(jù)在各自傳感器內(nèi)完成信號的調(diào)理，然后通過I/O 接口端發(fā)送到CC2530 芯片中。

Zig Bee 路由節(jié)點負責數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，起通信鏈路中繼作用，其節(jié)點硬件設(shè)計不含數(shù)據(jù)采集部分。

Zig Bee 協(xié)調(diào)器節(jié)點通過RS—485 串口與礦井上服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換，其硬件設(shè)計加上RS—485 串口通信單元，以實現(xiàn)Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)與井上網(wǎng)絡(luò)之間的通信。Zig Bee－WiFi 復(fù)合節(jié)點由主要Zig Bee 無線路由節(jié)點與WiFi 無線路由器通過RS—485 轉(zhuǎn)RJ—45 模塊連接構(gòu)成。

圖2 Zig Bee 感知節(jié)點設(shè)計原理圖Fig 2 Principle diagram of Zig Bee sensing node design

3 系統(tǒng)軟件

3.1 下位機程序

系統(tǒng)的底層下位機如Zig Bee 感知節(jié)點，Zig Bee 路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的程序編寫使用IAR Embedded Workbench for 8051.8.10 軟件編程。其Zig Bee 協(xié)議棧采用TI公司的Zstack—CC2530—2.4.0—1.4.0。Zig Bee 協(xié)調(diào)器節(jié)點的程序流程如圖3 所示，其功能是完成組網(wǎng)和對網(wǎng)絡(luò)的射頻信道、網(wǎng)絡(luò)標志符等參數(shù)的設(shè)置。Zig Bee 感知節(jié)點和路由器節(jié)點的程序除無組網(wǎng)功能調(diào)度功能外，其他與協(xié)調(diào)器節(jié)點程序類似，其作用分別是接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，中繼拓展網(wǎng)絡(luò)。

圖3 Zig Bee 協(xié)調(diào)器節(jié)點的程序流程Fig 3 Program flow chart of Zig Bee coordinator node

3.2 上位機手持終端軟件

本系統(tǒng)上位機手持終端軟件設(shè)計是基于開放的智能操作系統(tǒng)——Android 系統(tǒng)。使用Eclipse 軟件開發(fā)上位機手持終端軟件的.apk 應(yīng)用軟件。手持終端軟件主界面由兩個相同設(shè)備子界面構(gòu)成，如圖4 所示。每個設(shè)備子界面由IP 地址設(shè)置部分、傳感器選擇部分和連接設(shè)備子圖部分。

在圖4 中，IP 地址設(shè)置部分作用是設(shè)置IP 地址和端口號，通過IP 地址的選擇來選擇不同IP 地址下的Zig Bee 感知節(jié)點上的傳感器。傳感器選擇部分是可選擇不同的傳感器，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的正確解析。連接設(shè)備子圖部分作用是實時顯示所采集傳感器數(shù)據(jù)的圖像，便于在手持終端上實時準確直觀地顯示環(huán)境參數(shù)。圖4 下方的實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)子圖，通過放大縮小按鈕功能可清晰地查看監(jiān)測時間段內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，該圖是對溫度、濕度和CO2濃度的監(jiān)測圖。

圖4 手持終端軟件連接狀態(tài)Fig 4 Connection status of handheld terminals software

4 系統(tǒng)測試與多樣性異常數(shù)據(jù)篩選方法提出

將按上述設(shè)計金屬礦井熱害監(jiān)測系統(tǒng)，在實驗室環(huán)境下進行測試驗證，以判斷該系統(tǒng)設(shè)計的成功與否。本實驗將主要對環(huán)境的溫度、濕度、CO2濃度進行實時監(jiān)測。為了模擬礦井固定位置正常環(huán)境的恒定，控制室溫為26 ℃，利用開發(fā)的手持終端每隔20 min 記錄采集到的溫度值、濕度值和CO2濃度值，得到的測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 測試數(shù)據(jù)Tab 1 Test data

從表1 可看出，本系統(tǒng)可以在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)所設(shè)計的功能要求，達到對環(huán)境的溫度、濕度、CO2濃度的實時監(jiān)測。同時，在實驗過程中，也驗證了手持監(jiān)測終端在無線信號覆蓋范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)無線手持監(jiān)測的功能要求。然后，對系統(tǒng)的多樣性異常數(shù)據(jù)篩選進行詳細研究。

4.1 正常工作環(huán)境情況下的多樣性異常數(shù)據(jù)篩選

礦井中基本穩(wěn)定的環(huán)境狀況下采集數(shù)據(jù)也難免產(chǎn)生小概率異常數(shù)據(jù)。對于這類基本恒定的監(jiān)測參數(shù)的異常數(shù)據(jù)的篩選，本研究在深入研究基本拉依達法則［7］的基礎(chǔ)上，提出了操作簡便處理可靠的參數(shù)適應(yīng)型拉依達法(PAPC)剔除異常數(shù)據(jù)準則。設(shè)X1，X2，…，Xn是所要測量的n 個樣本，若有測量的樣本不滿足式(1)時，則認為是異常數(shù)據(jù)，式(1)為PAPC 表達式

式中 μ 為總體均值，σ 為總體標準差，N 為PAPC 條件判斷參數(shù)，N 一般取10 ～20 的整數(shù)。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的參數(shù)估計可知，樣本均值是總體均值μ 的無偏估計，如式(2)所示

樣本標準差s 是總體標準差σ 的無偏估計，如式(3)所示

為了提高樣本均值的計算精度和防止節(jié)點數(shù)據(jù)在計算過程中的發(fā)生數(shù)據(jù)溢出，使用二次均值法計算樣本均值，如式(4)所示

圖5 對于恒定溫度異常數(shù)據(jù)的篩選Fig 5 Abnormal data filter at constant temperature

4.2 異常工作環(huán)境情況下的多樣性異常數(shù)據(jù)篩選

在礦井環(huán)境在熱害監(jiān)測環(huán)境過程，有的監(jiān)測參數(shù)不是線性的(如圖6)，那么對于這樣的監(jiān)測的狀態(tài)就不容易發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常性。圖6(a)是相對濕度隨時間的曲線擬合變化曲線，圖6(b)是CO2濃度隨時間的擬合變化曲線。由于上述高次多項式擬合判斷條件苛刻和變化的異常數(shù)據(jù)的不易發(fā)現(xiàn)。本研究提出了基于皮爾森相關(guān)系數(shù)異常監(jiān)測狀態(tài)判斷法。根據(jù)相關(guān)系數(shù)ρXY約束來報警異常情況，其約束條件如式(5)所示

其中，X 和Y 為所監(jiān)測的兩個環(huán)境參數(shù);ρ0為根據(jù)長期觀察與計算得到相關(guān)系數(shù)算術(shù)平均值;Δρcontrol為監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置的所監(jiān)測參數(shù)的相關(guān)系數(shù)可變動參數(shù)。

圖6 監(jiān)測參數(shù)變化曲線Fig 6 Curve of monitoring parameters change

本文使用PCCF，ρXY由式(6)計算

相關(guān)系數(shù)矩陣R 與協(xié)方差矩陣C 之間的關(guān)系是

其中，C·Q 為協(xié)方差矩陣C 和系數(shù)矩陣Q 的Hadamard 積，Q 在上式中具體為公式(9)

根據(jù)相關(guān)系數(shù)的劃分等級［8］，結(jié)合本設(shè)計研究內(nèi)容給出監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系和Δρcontrol的取值表，如表2 所示。若兩個監(jiān)測參數(shù)之間存在相關(guān)系數(shù)在0.7 以上時，可以使用表2 進行異常數(shù)據(jù)分析。

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)之間相互關(guān)系與Δρcontrol的取值Tab 2 Relationship between monitoring data and value of Δρcontrol

圖7 相對濕度與CO2 濃度線性相關(guān)性Fig 7 Linear correlation of relative humidity and CO2 concentration

從圖7 可以看出，當相對濕度或CO2濃度發(fā)生異常變化時，如其中一只傳感器所采集的數(shù)據(jù)發(fā)生異常，必然影響到相對濕度和CO2濃度相關(guān)系數(shù)ρ 發(fā)生變化，那么，本研究就可以根據(jù)式(5)，即兩個監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)的變化，判斷這兩種監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化是否屬于正常變化范圍;如果兩個監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)在正常范圍類，則監(jiān)測系統(tǒng)繼續(xù)照常工作;如果它們的相關(guān)系數(shù)不屬于PCCF，則發(fā)生異常報警，然后根據(jù)鄰近感知節(jié)點對比，確定發(fā)生異常狀況的感知節(jié)點并進行數(shù)據(jù)篩選，保留正常數(shù)據(jù)并上傳異常數(shù)據(jù)?；蛘弋攦蓚€觀察值高度線性相關(guān)時，根據(jù)圖7 的兩監(jiān)測函數(shù)的擬合曲線的變化，判斷監(jiān)測系統(tǒng)是否處于正常狀態(tài)并進行數(shù)據(jù)篩選。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合無線Zig Bee 技術(shù)和無線WiFi 技術(shù)兩大無線通信技術(shù)，設(shè)計了一種WSNs 熱害環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并研究了兩類多樣性異常數(shù)據(jù)篩選方法:1)為保證監(jiān)測穩(wěn)定環(huán)境采集的數(shù)據(jù)可靠性，提出了改進型拉依達異常數(shù)據(jù)剔除法則和使用置信水平的數(shù)據(jù)剔除方法;2)為了有效發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測區(qū)域變化環(huán)境參數(shù)的異常情況，提出了PCCF 異常狀態(tài)判斷法。

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