姚逸程

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232000)

1 引言

煤礦粉塵是煤礦采掘活動中煤巖粉碎產(chǎn)生的一種混合型粉塵，濃度達到一定值時會燃燒和爆炸，直徑小于5μm的呼吸性粉塵被人體吸入后會沉積在肺部，對人員和設(shè)備造成巨大的安全隱患[1]。煤礦企業(yè)及高校在煤礦粉塵濃度防控及監(jiān)測方面有了深入研究，但是與實際生產(chǎn)中的需求仍有一定差距，難以做到粉塵濃度實時監(jiān)測并提前預(yù)警。亟需建立一種能夠全方位監(jiān)測煤礦井下情況的在線預(yù)警系統(tǒng)，便于測量粉塵濃度并及時預(yù)警。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為煤礦粉塵濃度的在線預(yù)警提供了一種新的技術(shù)路徑，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一種融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能算法的煤礦粉塵預(yù)警系統(tǒng)，適用于煤礦井下的復(fù)雜環(huán)境，具有較高的實用價值。通過孤立森林算法監(jiān)測煤礦井下粉塵濃度的異常點，實時對井下各個監(jiān)測終端粉塵濃度預(yù)警，以實現(xiàn)監(jiān)測的無線化和智能化[2]。

2 粉塵預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)煤礦粉塵預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，將系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和云平臺[3]。粉塵預(yù)警系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee技術(shù)，ZigBee有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量大、成本低、功耗低等特點，便于在井下作信號傳輸網(wǎng)絡(luò)。

感知層主要負責(zé)粉塵傳感器信號采集、發(fā)送數(shù)據(jù)等功能，網(wǎng)絡(luò)層主要通過ZigBee傳輸基站將感知層發(fā)來的數(shù)據(jù)上傳至云平臺，云平臺則對感知層收到的數(shù)據(jù)進行處理，實時將檢測后的粉塵濃度上傳至預(yù)警平臺端。若發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，立即通過網(wǎng)絡(luò)層下發(fā)報警信號到煤礦科室和井下終端，及時通報作業(yè)人員險情并撤離。

圖1 煤礦粉塵在線預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

3 粉塵預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計

煤礦井下粉塵濃度的報警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由以下幾個方面組成：粉塵傳感器模塊、STM32F107主控芯片、CC2530終端節(jié)點、CC2530協(xié)調(diào)器和電源模塊[4]。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

煤礦井下各粉塵傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳入CC2530終端節(jié)點，各終端節(jié)點通過ZigBee無線通信傳輸至CC2530協(xié)調(diào)器中，CC2530協(xié)調(diào)器通過串口通信將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32主控制芯片。

3.1 ZigBee無線通信模塊設(shè)計

3.1.1 終端節(jié)點設(shè)計

粉塵預(yù)警系統(tǒng)存在分布基站多、覆蓋范圍大等特點，故選用CC2530射頻芯片來為ZigBee模塊處理通信數(shù)據(jù)，其具有功耗低、性能高的8051控制內(nèi)核在物聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，可實現(xiàn)多個MCU協(xié)同控制終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器，監(jiān)測終端采集的粉塵濃度數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換后由終端節(jié)點的CC2530無線模塊發(fā)給CC2530協(xié)調(diào)器[5]。

3.1.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

在ZigBee無線模塊中，協(xié)調(diào)器的主要功能是配置和接受終端傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送到主控制器STM32F407進行數(shù)據(jù)融合處理，兩者均為3.3V邏輯電源。

3.2 粉塵傳感器

粉塵傳感器是將特定粉塵的濃度轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號或模擬信號的傳感器件，本系統(tǒng)選用ZH03BMOKU粉塵傳感器，其具有驅(qū)動電路簡單、響應(yīng)速度快、功耗低等特點，對煤礦井下的粉塵靈敏性較高[6]。檢測單元采用粒子計算原理，在傳感器口利用加熱光源對空氣加熱使得外部空氣流入傳感器，可以自動吸入超過1 μm的粉塵顆粒物，輸出電路與CC2530終端節(jié)點相連,定點定時的將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量信號，通過ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到STM32單片機進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過網(wǎng)絡(luò)基站上傳到云平臺，實現(xiàn)對井下粉塵濃度的在線監(jiān)測，粉塵傳感器原理圖如圖3所示。

圖3 粉塵傳感器原理

4 粉塵預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 終端節(jié)點程序設(shè)計

上電后先對終端傳感器模塊的硬件和軟件初始化，完成后給CC2530終端節(jié)點連接網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接成功后，將CC2530終端節(jié)點得到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給CC2530協(xié)調(diào)器[7]。程序流程如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點程序設(shè)計

4.2 云平臺程序設(shè)計

云平臺主要包括云架構(gòu)的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施(IaaS)和平臺服務(wù)功能(PaaS),其中IaaS層將收到的數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬資源池，提供虛擬的服務(wù)[8]。云平臺是實現(xiàn)煤礦粉塵濃度預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵，云平臺得到網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送的數(shù)據(jù)后運用孤立森林算法檢測異常值來實現(xiàn)在線預(yù)警的功能，軟件流程如圖5所示。

圖5 云平臺程序設(shè)計

5 在線預(yù)警系統(tǒng)

預(yù)警功能是該系統(tǒng)的核心，煤礦井下條件復(fù)雜多變，基站數(shù)量大，粉塵傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層上傳到云平臺后，云平臺端使用孤立森林算法對煤礦井下的粉塵濃度情況做到可視化處理，孤立森林算法的核心思想是將總體數(shù)據(jù)集構(gòu)建二叉樹并不斷的進行分割，把異常值孤立出來[9]。在線預(yù)警系統(tǒng)自動監(jiān)測井下各個基站粉塵濃度是否異常，一旦檢測出井下基站粉塵濃度的異常值，預(yù)警平臺自動生成井下粉塵濃度危險報告，管理員可以根據(jù)報告查看異常源頭，并對井下指定位置快速下達報警信號[10]。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦粉塵在線預(yù)警系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)煤礦粉塵預(yù)警系統(tǒng)傳輸速率慢、安全性差等特點，采用ZigBee無線傳感器通信技術(shù)，將感知層收集到的煤礦粉塵數(shù)據(jù)實時傳輸給云平臺[11]。分析了系統(tǒng)的軟、硬件電路和孤立森林算法的可行性，能夠?qū)路蹓m濃度異常現(xiàn)象起到在線預(yù)警的作用。