糧倉火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計——基于OLS算法結(jié)合無線傳感技術(shù)

趙立軍，閆德峰，張豐爍，王宇杰，顏珊珊,張玉鑫，劉傳寶，許春林

(1.重慶文理學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，重慶 402160；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

為促進(jìn)國家糧食產(chǎn)品和服務(wù)供給質(zhì)量效率的大力提升，全面落實糧食安全，提升國家糧食倉儲企業(yè)現(xiàn)代化管理水平，加強糧食存儲安全的研究尤為重要。以典型案例分析[1]：2013年5月31日，中儲糧黑龍江省分公司林甸縣直屬糧庫發(fā)生火災(zāi)，造成80個糧囤、攬堆過火和惡劣的社會影響，過火糧食4.6萬t，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)307.9萬元。查閱相關(guān)資料[2-9]關(guān)于糧倉火災(zāi)預(yù)警的研究，國內(nèi)起步較晚。糧食作為有機(jī)物，具有可燃性且具有較高的自燃性[10]。在糧食倉儲企業(yè)的物流倉庫中有大量的糧食儲備，但由于我國糧倉火災(zāi)風(fēng)險管理的智能化水平不高，管理不嚴(yán)格，極易發(fā)生糧倉火災(zāi)。由于糧倉火災(zāi)在時間上具有不確定性[11]且火災(zāi)初期難以察覺，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢將迅速發(fā)展、蔓延，從而造成不可估量的損失，因此加強對糧倉火災(zāi)現(xiàn)代化預(yù)警系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)糧倉火災(zāi)早期探測和生成報警尤為重要。

S. Bhattacharjee等[11]將基于無線傳感器的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用于礦道火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警中。凌智輝等[12]采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析實現(xiàn)預(yù)測預(yù)警，但受硬件CPU性能影響，算法的誤報率較高，穩(wěn)定性及可靠性有待提高。李鐵盤等[13]對最小二乘法在糧倉溫度預(yù)測中的研究為本文提供了理論基礎(chǔ)，也為本系統(tǒng)算法提供了參考。

為此，基于現(xiàn)代智能化物聯(lián)網(wǎng)手段，開發(fā)出一種基于OLS算法結(jié)合無線傳感技術(shù)的糧倉火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。利用無線傳感技術(shù)采集數(shù)據(jù)，通過最小二乘法(OLS)對糧倉內(nèi)溫濕度等參量的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，通過MatLab整理數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，得出參量隨時間的公式，分析糧倉內(nèi)部溫濕度等參量變化趨勢，從而實現(xiàn)糧倉火災(zāi)的實時預(yù)警。

1 總體設(shè)計

該系統(tǒng)由傳感器、無線通信模塊及PC機(jī)3部分構(gòu)成，如圖1所示。在糧倉內(nèi)部等距分布有無線溫濕度傳感器、CO傳感器及煙霧傳感器模塊，在糧倉遠(yuǎn)距離布設(shè)遠(yuǎn)紅外防火預(yù)警熱成像攝像機(jī)，糧倉外設(shè)單片機(jī)，控制室布設(shè)上位機(jī)(PC機(jī))。工作時，系統(tǒng)各節(jié)點的傳感器通過ZigBee近距離通信將采集數(shù)據(jù)上傳至單片機(jī)，單片機(jī)控制GPRS工作，上傳數(shù)據(jù)至上位機(jī)(PC機(jī))，控制室上位機(jī)(PC機(jī))通過MatLab程序[14]進(jìn)行計算；利用OLS算法對傳感器各節(jié)點采集數(shù)據(jù)進(jìn)行糧倉內(nèi)部溫度、濕度、CO濃度等物理參數(shù)分析；通過對各糧倉節(jié)點離散數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，選擇適當(dāng)?shù)那€類型來擬合觀測數(shù)據(jù)，用擬合的曲線方程分析兩變量間的關(guān)系，標(biāo)出監(jiān)測值與預(yù)測值，得出計算公式。系統(tǒng)可以對糧倉內(nèi)任意空間和任意時間溫度進(jìn)行判斷和預(yù)測,對未來一段時間可能發(fā)生的火災(zāi)進(jìn)行風(fēng)險評估，從而預(yù)測火災(zāi)危險，及時做好相應(yīng)措施，防止火災(zāi)發(fā)生。當(dāng)糧倉溫度達(dá)到預(yù)警值時，系統(tǒng)將指令警鈴響起，開啟降溫措施。

圖1 總體設(shè)計圖Fig.1 Overall design

1.1 最小二乘法(OLS)

OLS算法作為一種離散型參數(shù)估計算法，在本系統(tǒng)中起到核心算法的作用。通過OLS算法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù),使所求得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小[15]，從而得出未知量之間的計算公式；可以通過OLS算法計算糧倉中溫度隨時間的計算公式，評估未來一段時間內(nèi)糧倉的溫度變化。

各傳感器采集到的各節(jié)點溫濕度數(shù)據(jù)均屬于離散型數(shù)據(jù)變量，利用OLS處理，通過MatLab軟件[16]得出計算公式，得到的預(yù)測值準(zhǔn)確性較高，能大幅度減少因預(yù)測誤差帶來的計量偏誤。用普通最小二乘法(OLS)結(jié)合節(jié)點傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模預(yù)測分析，能實時掌握糧倉內(nèi)溫度變化，從而預(yù)測火災(zāi)發(fā)生的危險程度；通過數(shù)值擬合，預(yù)測出溫度隨時間的函數(shù)關(guān)系式，得出溫度隨時間的曲線擬合圖，預(yù)測未來一段時間的溫度變化規(guī)律，可對糧倉內(nèi)安全進(jìn)行風(fēng)險評估，達(dá)到風(fēng)險值時，采取必要措施進(jìn)行處理，實現(xiàn)對火災(zāi)的早期預(yù)警。

1.1.1 OLS基本模型

通過代入各節(jié)點傳感器的溫度數(shù)值，利用MatLab基于OLS計算溫度隨時間的計算公式，對溫度與時間進(jìn)行曲線擬合。

1.1.2 曲線擬合

假設(shè)給定的一組新的實驗數(shù)據(jù)為本系統(tǒng)中的時間變量：{(ti,pi),i=1,2,…,m}，點義權(quán)系數(shù)αi，得自變量t(時間)與因變量p(糧倉溫度)二者的函數(shù)關(guān)系p=s(t;α0,α1,…,αn)(n

s(t)=α0φ0(t)+α1φ1(t)+…+αnφn(t)

(1)

(2)

根據(jù)內(nèi)積定義引入相應(yīng)的帶權(quán)內(nèi)積記號，即

(3)

則式(2)可改成

(4)

這是關(guān)于參數(shù)α0,α1,…,αn的線性方程組，用矩陣的形式表示為

(5)

由于φ0(t),φ1(t),…,φn(t)線性無關(guān)，故方程組存在唯一的解αk=αk,k=0,1,…,n，于是有

(6)

1.1.3用MatLab實現(xiàn)曲線擬合

用MatLab處理各節(jié)點糧倉傳來的數(shù)據(jù)，運行后可得到溫度隨時間變化的經(jīng)驗公式。

最小二乘法的算法是：

2)求解方程組(5)。

3)函數(shù)的最佳逼近。將上面算法編寫成一個MatLab程序，計算數(shù)據(jù)最小二乘擬合系數(shù)[8]。

4)開始數(shù)據(jù)的擬合，t、p為數(shù)據(jù)的(t,p)坐標(biāo)，t為時間，p為溫度。

5)擬合出曲線，預(yù)測未來一段時間內(nèi)糧倉溫度變化，進(jìn)行分析預(yù)警，評估火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險。

1.2 ZigBee

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低速率的雙向無線通訊技術(shù)[15]，本系統(tǒng)的各種傳感器與單片機(jī)之間采用這種通信技術(shù)可以達(dá)到高效通信互聯(lián)、傳遞數(shù)據(jù)和指令的目的。

1.3 GPRS

GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))具有維修簡單、數(shù)據(jù)傳送遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高及廉價等優(yōu)點。各節(jié)點傳感器采集的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)， 下位機(jī)(見圖2)系統(tǒng)通過單片機(jī)整合數(shù)據(jù)， 通過GPRS遠(yuǎn)距離通訊方式即時將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送至中央控制室。設(shè)計中， GPRS 通信模塊采用SIM800芯片。

圖2 下位機(jī)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the slave computer

2 硬件設(shè)計

2.1 傳感器選擇

為采集糧倉內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，本系統(tǒng)采用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骷癈O傳感器。傳感器具體參數(shù)見表1所示。信息通過各個節(jié)點傳感器的采集到，并通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，最后經(jīng)過單片機(jī)至后臺進(jìn)行命令處理。

表1 系統(tǒng)相關(guān)傳感器技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the system

2.2 ZigBee 模塊選擇

預(yù)警系統(tǒng)選用DL-22作為ZigBee模塊。 DL-22模塊頻率為2.4Hz，因其傳輸距離大于650m，穿透力強，所以該模塊適應(yīng)糧倉間各節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)傳輸。其點對點傳輸速率最大為3 300Bps，滿足糧倉數(shù)據(jù)傳輸要求。

2.3 遠(yuǎn)紅外防火預(yù)警熱成像攝像機(jī)

選用D78G作為遠(yuǎn)紅外防火預(yù)警熱成像攝像機(jī)，該攝像機(jī)為非制冷焦平面微熱型，可以監(jiān)控糧倉火災(zāi)。

2.4 單片機(jī)電路設(shè)計

STC89C51是8位微控制器。具有一種低功耗、高性能等特點，包括中央處理器(CPU)8位處理器、存儲器、并行輸入(I/O)輸出口及中斷系統(tǒng)(5個中斷源)等。

STC89C51具有ROM/EPROM的單片機(jī)，只需與時鐘電路和復(fù)位電路相連即可構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)，如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 MatLab

應(yīng)用MatLab程序基于最小二乘法處理采集到的傳感器數(shù)據(jù)，可使繁瑣的數(shù)值計算變成一種簡單、直觀的可視化操作過程，且能較準(zhǔn)確地標(biāo)記實驗數(shù)據(jù)點和繪出擬合曲線[16]，在本系統(tǒng)中起到處理各節(jié)點數(shù)據(jù)作用。

3.2 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)軟件界面

利用串行通訊口實時上傳各節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)，控制室實時顯示各項數(shù)據(jù)；控制室通過MatLab利用OLS算法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，分析評估，得出相應(yīng)結(jié)論，如溫度預(yù)測在未來的一段時間將超過安全值，提醒安全責(zé)任人員；安全人員采取相應(yīng)措施，如通風(fēng)等；接著，通過GPRS遠(yuǎn)距離傳輸反饋指令，通過系統(tǒng)開發(fā)APP，管理者可通過發(fā)送短信方式實時得知糧倉的安全狀況及儲存信息。其界面如圖4所示。

圖3 STC89C51結(jié)構(gòu)圖Fig.3 STC89C51 Structure diagram

圖4 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)軟件界面Fig.4 Software interface of fire alarm system

4 結(jié)論

1)采用ZigBee、GPRS技術(shù)與傳感器結(jié)合，改變了傳統(tǒng)有線傳感器帶來的電氣火災(zāi)隱患，難以改變探測位置等缺點。

2)通過運用最小二乘法對無線傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用最小二乘法擬合的優(yōu)點，預(yù)測糧倉內(nèi)溫度的走勢，從而預(yù)警火災(zāi)。

3)該系統(tǒng)彌補我國糧倉現(xiàn)代化水平不高，易發(fā)生火災(zāi)等缺點，有推廣的價值，對糧食儲存安全具有重要意義。