唐女智 韓聰 羅冬艷 周遠(yuǎn)芳 王昆鵬

摘要：傳統(tǒng)的井下監(jiān)測系統(tǒng)主要采用信號(hào)的有線傳輸方式，限制了系統(tǒng)的可移動(dòng)性，設(shè)備安裝不夠靈活，定位精度低，難以滿足現(xiàn)在井下安全監(jiān)測實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的要求。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，并在眾多領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用，這一技術(shù)也很快應(yīng)用于地下礦井中。本文采用無線傳輸lora技術(shù)來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立預(yù)測模型，來對(duì)礦井內(nèi)環(huán)境進(jìn)行一個(gè)監(jiān)測，并對(duì)事故進(jìn)行一個(gè)提前預(yù)警，保證礦井工作人員的安全。

關(guān)鍵詞：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);LoRa技術(shù);礦井監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

隨著電子技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、CRT顯示技術(shù)以及軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在煤炭工業(yè)領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測是煤炭生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對(duì)工作現(xiàn)場和工作過程進(jìn)行檢測和控制，將現(xiàn)場運(yùn)行監(jiān)督，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、事故處理、常事務(wù)管理等工作交給計(jì)算機(jī)完成礦井監(jiān)測系統(tǒng)其主要功能是能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地反映各類所需要的監(jiān)測信息，從而滿足諸如環(huán)境安全、膠帶運(yùn)輸、軌道運(yùn)輸、供電系統(tǒng)對(duì)瓦斯、風(fēng)速、一氧化碳、溫度、負(fù)壓等環(huán)境參數(shù)以及設(shè)備的開停、風(fēng)門開閉、風(fēng)筒風(fēng)量不同檢測對(duì)象的要求，以實(shí)現(xiàn)在煤炭生產(chǎn)中對(duì)全礦井的綜合監(jiān)測。從2O世紀(jì)80年代開始，我國在近300個(gè)國有重點(diǎn)煤礦安裝了礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，這些設(shè)備在一定程度上改變了我國煤礦生產(chǎn)狀況。近年來，隨著國有重點(diǎn)煤礦采深加大，自然災(zāi)害的威脅也日益突出，特別是瓦斯煤塵爆炸事故，煤與瓦斯突發(fā)事故和火災(zāi)事故又呈上升趨勢，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)多半事故就發(fā)生在裝有環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的煤礦中。

一、Lora技術(shù)介紹

LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。LoRa是LPWAN中發(fā)展比較快，相對(duì)比較成熟的技術(shù)。我國的中興通訊與東方測控、唯傳科技、創(chuàng)高安防等近20家企業(yè)發(fā)起建立了中國LoRa應(yīng)用聯(lián)盟。

LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（可內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、Server和云四部分組成。應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

二、BP神經(jīng)算法介紹

誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡稱為BP網(wǎng)絡(luò)，它是一種具有三層或三層以上的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每一層都由若干個(gè)神經(jīng)元組成。如圖所示為一個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖，它的左、右各層之間各個(gè)神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)全連接，即左層的每一個(gè)神經(jīng)元與右層的每個(gè)神經(jīng)元都有連接，而上下各神經(jīng)元之間無連接。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按有監(jiān)督學(xué)習(xí)方式進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)一對(duì)學(xué)習(xí)模式提供給網(wǎng)絡(luò)后，其神經(jīng)元的激活值將從輸入層經(jīng)各隱含層向輸出層傳播，在輸出層的各神經(jīng)元輸出對(duì)應(yīng)于輸入模式的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)。然后，按減少希望輸出與實(shí)際輸出誤差的原則，從輸出層經(jīng)各隱含層、最后回到輸人層逐層修正各連接權(quán)。由于這種修正過程是從輸出到輸入逐層進(jìn)行的，所以稱它為“誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ā薄?/p>

三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Lora模塊搭建礦井監(jiān)測的軟硬件平臺(tái)，通過51單片機(jī)進(jìn)行控制，利用協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的Lora自組網(wǎng)通信，通過路由器節(jié)點(diǎn)匯聚傳感器節(jié)點(diǎn)的測量參數(shù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，最終傳輸至監(jiān)測中心實(shí)現(xiàn)礦井監(jiān)測，同時(shí)平臺(tái)將實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息輸入給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型去處理，對(duì)礦井可能發(fā)生的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成，上位機(jī)與下位機(jī)之間采用MQTT協(xié)議進(jìn)行通訊，下位機(jī)由環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)集中器構(gòu)成，負(fù)責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測匯集與上傳。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際需求具備不同的環(huán)境監(jiān)測能力，分別適用于礦井不同區(qū)域，可監(jiān)測溫濕度、PM2.5、有害氣體等指標(biāo)以及火災(zāi)、漏水等異常災(zāi)害遙，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)監(jiān)測相應(yīng)環(huán)境數(shù)值后對(duì)數(shù)值進(jìn)行處理與組裝并按照固有協(xié)議格式通過LoRa無線通訊模塊將其數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)集中器遙數(shù)據(jù)集中器對(duì)各環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中與處理后依靠Wi-Fi和路由器進(jìn)行上傳。通過溫濕度傳感器、壓力傳感器、粉塵傳感器、瓦斯氣體模組可實(shí)時(shí)監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)濕度傳感器、壓力傳感器和粉塵傳感器超過設(shè)定的安全范圍的閾值，平臺(tái)發(fā)出報(bào)警，即可有效的避免冒頂危險(xiǎn)、水災(zāi)危險(xiǎn)和煤塵爆炸危險(xiǎn)的發(fā)生。對(duì)上傳到云端的數(shù)據(jù)進(jìn)行BP算法預(yù)測模型的建模，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方法分析系統(tǒng)的安全狀態(tài)，對(duì)于預(yù)防和減少礦井安全事故將起著非常積極的作用。預(yù)測礦井內(nèi)可能發(fā)生的危險(xiǎn)，并發(fā)出報(bào)警聲，提醒礦井工人做好逃離準(zhǔn)備，減少事故發(fā)生率，降低死亡率。同時(shí)，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心電腦和手機(jī)APP都可以實(shí)時(shí)看到礦井各個(gè)區(qū)域的情況。

四、硬件設(shè)計(jì)

為了能夠更好地適應(yīng)實(shí)際場景的需求，同時(shí)又兼顧系統(tǒng)開發(fā)成本，硬件設(shè)計(jì)采用組采集節(jié)點(diǎn)和1 個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)來共同完成礦井環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。為了降低系統(tǒng)功耗，采集節(jié)點(diǎn)之間不進(jìn)行相互通信，每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)通過LoRa無線通信模塊完成數(shù)據(jù)和指令的傳輸，通信網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

五、軟件設(shè)計(jì)

開發(fā)的手機(jī)APP界面如下圖所示，其能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測礦井內(nèi)環(huán)境情況，由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，在APP端可以顯示可能會(huì)發(fā)生的事故，提前做出預(yù)測和警告?？捎^性很強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]?? 朱高中.基于以太網(wǎng)的礦井監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].渭南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，33（04）：61-65.

[2]?? 孫守靖.礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向展望[J].煤，2005（01）：33-34.[3]丁振.煤礦安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)研究與應(yīng)用[D].華北科技學(xué)院，2016.

作者簡介：

唐女智（1999—），女，侗族，湖南懷化，本科，研究方向：信息與通信。韓聰（1999—），男，漢族，浙江紹興，本科，研究方向：材料成型及控制。

羅冬艷（1998—），女，漢族，湖南懷化，本科，研究方向：醫(yī)學(xué)信息工程。

周遠(yuǎn)芳（1997—），女，漢族，重慶，本科，研究方向：人力資源管理。

王昆鵬（1999—），男，滿族，內(nèi)蒙古興安盟，本科，研究方向：材料成型及控制。