薛培軍，劉冬敏

(1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450121;2.鄭州工程技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，鄭州 450044)

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展極大地促進(jìn)了嵌入式智能系統(tǒng)的進(jìn)步，隨著嵌入式系統(tǒng)在礦業(yè)中的發(fā)展，利用如今的高科技手段對(duì)煤礦生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行有效的檢測(cè)，可以準(zhǔn)確分析煤礦井下情況，更好地實(shí)現(xiàn)安全管理，為保證礦業(yè)作業(yè)過(guò)程中的安全性提供了有力支撐。通過(guò)基于分類算法的設(shè)計(jì)并改進(jìn)大型煤礦自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可有效監(jiān)測(cè)礦井下相關(guān)工作狀態(tài)，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)跟蹤分析和特征規(guī)律分析，為礦業(yè)工作提供智能和科學(xué)的指導(dǎo)。[1]

煤礦檢測(cè)系統(tǒng)屬于較為復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)檢測(cè)的過(guò)程也是動(dòng)態(tài)的，整個(gè)系統(tǒng)的組成會(huì)相互影響，在檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要特別考慮。由于煤礦開(kāi)采環(huán)境本身比較復(fù)雜，對(duì)煤礦工人以及機(jī)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和有效管理，設(shè)計(jì)并研究建立相應(yīng)的安全檢測(cè)系統(tǒng)是非常必要的，可以對(duì)礦山起到有效管理、災(zāi)害預(yù)警等作用。

傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)主要采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)特征監(jiān)測(cè)方法，通常是由控制中心和測(cè)控分站組成，屬于集中控制，但無(wú)法全面分析煤礦的傳感數(shù)據(jù)狀態(tài)特征，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理，而且具有兼容性差等缺點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，其中，文獻(xiàn)[2]提出利用5409A循環(huán)尋址的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了系數(shù)對(duì)稱的FIR帶通濾波器，提高對(duì)煤礦的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，但該系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難；文獻(xiàn)[3]引入人工智能、模式識(shí)別和圖像處理以及煤礦學(xué)等綜合方法，進(jìn)行煤礦識(shí)別和特征自回歸分析，但難以形成一套完整合理的評(píng)價(jià)和指導(dǎo)體系，對(duì)礦井下的的遠(yuǎn)程檢測(cè)效果不佳，并且存在系統(tǒng)代價(jià)高，不夠方便快捷等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于分類算法的大型煤礦自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體模型構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件算法開(kāi)發(fā)和改進(jìn)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)功能驗(yàn)證。本系統(tǒng)檢測(cè)用時(shí)短，能夠高效采集礦井下的特征數(shù)據(jù)，了解井下的實(shí)時(shí)狀況。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體構(gòu)架

1.1 設(shè)計(jì)思路描述

大型煤礦自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)除了DSP信號(hào)處理器，還有PCI總線及橋接電路、邏輯控制等模塊，首先對(duì)外界數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存，并持續(xù)追蹤，這個(gè)過(guò)程需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p向性。外界環(huán)境發(fā)生變化，會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的阻礙作用，而用來(lái)采集無(wú)線信號(hào)的器件設(shè)備功能并不完善，采集來(lái)的信號(hào)為原始信號(hào)，數(shù)據(jù)信號(hào)噪聲比較大，無(wú)法得到一些必要的信號(hào)處理過(guò)程。除此之外，系統(tǒng)利用廣播中的電波進(jìn)行技術(shù)識(shí)別，由于廣播無(wú)線電波本身具有不穩(wěn)定性，抗干擾能力較弱，所以閱讀器就會(huì)產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)。如果直接將沒(méi)有通過(guò)必要噪聲處理的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送到系統(tǒng)信號(hào)管理控制中心，就會(huì)使系統(tǒng)功耗加大，負(fù)擔(dān)加重，從而導(dǎo)致整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)作。因此，對(duì)外界的有用信號(hào)的去噪等處理過(guò)程是十分必要的。為了使信號(hào)得到更好的利用并實(shí)現(xiàn)后續(xù)有效的使用，利用RFID 對(duì)外界采集來(lái)的信號(hào)先做過(guò)濾處理，把過(guò)濾過(guò)程中第一個(gè)輸出的信號(hào)標(biāo)記并儲(chǔ)存。但是信號(hào)在采集來(lái)之后，很容易被周?chē)h(huán)境影響，信號(hào)容易失真，在對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾等處理時(shí)， RFID 數(shù)據(jù)還需要繼續(xù)保持原有的數(shù)據(jù)采集順序。DSP能夠控制模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的A/D轉(zhuǎn)換頻率[4]，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束后產(chǎn)生DSP中斷，有些信號(hào)需要進(jìn)行回發(fā)，在此期間也會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)已經(jīng)保存的波形的重新發(fā)送。外部差分SCSI總線接口可以接HP E1562E或其他SCSI總線硬盤(pán)，用來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)容量。綜合分析，得到本文設(shè)計(jì)的大型煤礦自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大型煤礦自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型總體結(jié)構(gòu)

圖1中，HP E1562E通過(guò)局部總線實(shí)時(shí)記錄24通道數(shù)據(jù)采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建特征分區(qū)模型，本文采用Gamma-Gamma分布的方法構(gòu)建煤礦井下?tīng)顩r的傳感數(shù)據(jù)特征，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集，并采用網(wǎng)絡(luò)控制法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)模式挖掘。[5-6]

1.2 特征數(shù)據(jù)提取及系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

按照系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的指標(biāo)和要求，在硬件電路部分，通過(guò)24h動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)到煤礦井下?tīng)顩r，包括人員數(shù)量、瓦斯含量、煤塵等指標(biāo)，采用傳感器自動(dòng)采集監(jiān)測(cè)人員位置、瓦斯含量和煤塵等信息。具體煤礦的硬件組成如圖2所示，以CC2430模塊為中心，有電源、通信、顯示、鍵盤(pán)等模塊，外接發(fā)射天線，用來(lái)接收外界輸入信號(hào)。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)模塊具有自身優(yōu)勢(shì)，信息存儲(chǔ)量大，有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。

假設(shè)世界坐標(biāo)系下相對(duì)于根坐標(biāo)的位置轉(zhuǎn)換集合gc，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目標(biāo)位形θgoal未知，得到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)誤差向量，此時(shí)人員位置坐標(biāo)流整數(shù)向量為

圖2 煤礦檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)

b=(bi)1≤i≤τ∈(-2α,2α)τ

(1)

依據(jù)不同的監(jiān)測(cè)量，進(jìn)行采樣參數(shù)調(diào)整，采用瑞利方差修正，每個(gè)模塊都采用一個(gè)單片機(jī)作為采樣中心處理器，得到遠(yuǎn)程檢測(cè)數(shù)據(jù)感知結(jié)果為

(2)

檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存器使用256MByte的DDR內(nèi)存，這樣的大容量緩存有利于對(duì)數(shù)據(jù)的處理，相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)變得更容易。數(shù)據(jù)采集器24h追蹤特征數(shù)據(jù)，得到特征數(shù)據(jù)可變?cè)鲆婵刂品糯笃麟娐啡鐖D3所示。

圖3 特征數(shù)據(jù)可變?cè)鲆婵刂品糯笃麟娐?/p>

圖3中，對(duì)于運(yùn)算放大器的選取，除了對(duì)輸入阻抗參數(shù)的控制，還要考慮壓擺率、增益帶寬積和輸入失調(diào)電壓等因素。DDATA3(第1引腳)通過(guò)利用10kΩ大小的電阻將其上拉到3.3V，在接通電源后，SD卡自動(dòng)進(jìn)入SD正常工作模式；SDCMD(第2引腳)為命令響應(yīng)線；SDCLK(第5腳)為時(shí)鐘輸入信號(hào)；DAT0～DAT2(第7，8，9引腳)以及SDDATA3引腳共同構(gòu)成4位數(shù)據(jù)線；EINT16(第11引腳)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)外界插入信號(hào)，并且能夠確保輸入信號(hào)的穩(wěn)定性和真實(shí)性。除VDD，GND外的引腳均通過(guò)10kΩ上拉到3.3 V。

本文設(shè)計(jì)的大型煤礦自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有多方面優(yōu)勢(shì)。首先，可以更好地控制煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的技術(shù)水平，提高其安全系數(shù)；其次，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程屬于智能化過(guò)程，設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在煤礦采集生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，有效實(shí)現(xiàn)煤礦的安全管理。煤礦自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1)實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，例如檢測(cè)精度較高，成本低，實(shí)用性好等。對(duì)煤礦的開(kāi)采過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)控制，可以更好地提高煤礦生產(chǎn)的安全系數(shù)和生產(chǎn)效率。

(2)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的智能化，對(duì)比利用人工檢測(cè)，不僅節(jié)約人力，減少危險(xiǎn)系數(shù)，而且檢測(cè)效果顯著提高。在煤礦開(kāi)采和生產(chǎn)的過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)煤礦的信息管理與數(shù)據(jù)兩者之間的接口，完成系統(tǒng)與煤礦生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)之間的有效銜接。煤礦現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，通過(guò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)，減少檢測(cè)設(shè)備的損耗，延長(zhǎng)使用壽命。

(3)煤礦安全檢測(cè)系統(tǒng)在應(yīng)用的過(guò)程中，難免出現(xiàn)故障，在煤礦安全檢測(cè)的同時(shí)，可以對(duì)自身的運(yùn)行狀態(tài)以及相應(yīng)的調(diào)試進(jìn)行自動(dòng)診斷，提高了系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性。

2 自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件部分

軟件設(shè)計(jì)主要是通過(guò)分類算法設(shè)計(jì)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)改進(jìn)，傳統(tǒng)的檢測(cè)主要采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)特征監(jiān)測(cè)方法，無(wú)法全面分析井下?tīng)顟B(tài)特征。針對(duì)這一問(wèn)題，基于分類算法設(shè)計(jì)的大型煤礦自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其軟件設(shè)計(jì)部分的主要功能有以下幾個(gè)方面：首先，可以將煤礦的需檢測(cè)設(shè)備導(dǎo)入系統(tǒng)，設(shè)置終端的不同的節(jié)點(diǎn)中斷編碼；其次，能將端口的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)連續(xù)導(dǎo)入到PC機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，將控制指令傳輸至控制節(jié)點(diǎn)；最后，可執(zhí)行終端控制。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。結(jié)合該算法流程，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，為煤礦作業(yè)提供數(shù)據(jù)資源，以便及時(shí)動(dòng)態(tài)處理井下危險(xiǎn)狀況。通過(guò)狀態(tài)模式挖掘，采用PID控制器進(jìn)行特征控制和調(diào)節(jié)。特征變化率、積分時(shí)間和微分時(shí)間具有線性相關(guān)的特性，利用這一特性實(shí)現(xiàn)線性控制，自相關(guān)狀態(tài)方程為

圖4 基于分類算法自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)軟件流程

(3)

式中：Lq表示瓦斯含量變化率；UJ表示積分時(shí)間；UE為微分時(shí)間。遠(yuǎn)程視覺(jué)特征控制方程用公式為

Δv(l)=LQΔf(l)+LJf(l)+
LE[Δf(l)-Δf(l-1)]，

(4)

(5)

根據(jù)接受信號(hào)的強(qiáng)度，選取最大的增益，用矩陣特征向量表示為

(6)

通過(guò)上述特征提取和分析算法的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)性能驗(yàn)證，可以為煤礦作業(yè)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)大型煤礦自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的有效性，在SolidWorks平臺(tái)上搭建簡(jiǎn)化煤礦檢測(cè)模型，以煤礦井下遠(yuǎn)程特征為基礎(chǔ)，對(duì)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果文件以“Parasolid(*.x_t)”形式保存，再把分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入Adams軟件中，數(shù)據(jù)保存為“.txt”文本數(shù)據(jù)。使用自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)煤礦井下特征進(jìn)行收采集，實(shí)時(shí)記錄接收局部總線的數(shù)據(jù)，保存到SCSI硬盤(pán)，HP E1562E提供SCPI驅(qū)動(dòng)儀器，調(diào)用VISA庫(kù)函數(shù)vistatus=viWrite(instr,“MMEM:SCSIx:OPEN”,15,&retCount)，將命令寫(xiě)入HP E1652E的通信寄存器單元，在檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用的數(shù)據(jù)緩存為DDR內(nèi)存，大小為256MByte，得到本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的電路。將采集到的數(shù)據(jù)全部上傳至服務(wù)器或云端進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，得到在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，采用本文設(shè)計(jì)的大型煤礦自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集礦井下傳感數(shù)據(jù)特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下具體狀況諸如人員變動(dòng)、瓦斯含量值、煤塵等特征的監(jiān)測(cè)和判斷，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與管理。

圖5 煤礦井下的數(shù)據(jù)特征分析結(jié)果

為了驗(yàn)證采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在覆蓋率、時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)，對(duì)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 覆蓋率對(duì)比圖

圖7 時(shí)間對(duì)比圖

由圖6可以看出，采用本文所設(shè)計(jì)的大型煤礦自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的覆蓋率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的系統(tǒng)，具有較大的優(yōu)勢(shì)；由圖7可知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)間小于傳統(tǒng)系統(tǒng)的時(shí)間，檢測(cè)效率高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法全面分析井下?tīng)顟B(tài)特征，基于分類算法設(shè)計(jì)的大型煤礦自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，采用可變?cè)鲆婵刂品糯蠓桨?，?duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。采用正態(tài)相關(guān)狀態(tài)特征提取方法，通過(guò)決策樹(shù)組網(wǎng)分割可得井下?tīng)顟B(tài)傳感數(shù)據(jù)的變化率，通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文設(shè)計(jì)的大型煤礦自動(dòng)檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集礦井下的特征數(shù)據(jù)，覆蓋率大大提高，檢測(cè)用時(shí)短、檢測(cè)精度高，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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