煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險遠(yuǎn)程監(jiān)測與實時報警系統(tǒng)設(shè)計

摘 ?要： 傳統(tǒng)系統(tǒng)采用定點式有線監(jiān)控，受限于傳輸線路影響，導(dǎo)致煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險監(jiān)測效率較低，為了避免人們生命安全受到威脅，設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)測與實時報警系統(tǒng)。在協(xié)同環(huán)境下分析不同層次關(guān)系，設(shè)計總體結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)報警提供正確決策支持。采用TQ2440開發(fā)板設(shè)計的LCD液晶顯示接口電路具有25針2.0 mm和20針0.5 mm兩種接口，能夠接各種單色和彩色液晶屏。采用TLP521?3型號芯片作為信息采集器的主要芯片，可通過按鈕連接信息通道，為監(jiān)測裝置提供數(shù)據(jù)。采用SIM900A型號的監(jiān)測裝置可通過UART端口發(fā)送監(jiān)測指令，使用敏感重力加速度計求解地勢信息，獲取塌陷風(fēng)險最大值，根據(jù)監(jiān)控風(fēng)險報警實施流程完成系統(tǒng)設(shè)計。由實驗對比結(jié)果可知，該系統(tǒng)風(fēng)險報警預(yù)測與實際報警誤差保持在-0.01～0.03范圍內(nèi)，具有精準(zhǔn)監(jiān)測與報警效果，為煤礦區(qū)人們生命安全提供保障。

關(guān)鍵詞： 煤礦區(qū)生態(tài); 塌陷風(fēng)險; 遠(yuǎn)程監(jiān)測; 實時報警; 協(xié)同環(huán)境; 實時數(shù)據(jù)庫

中圖分類號： TN911?34; TP368 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）01?0170?05

Design of remote monitoring and real?time alarm system for

ecological collapse risk in coal mine area

WU Weili1， 2

Abstract： The fixed?point wired monitoring is adopted in the traditional system， which is limited by transmission lines， resulting in low efficiency of ecological collapse risk monitoring in coal mining areas. To prevent people′s life safety being threatened， a remote monitoring and real?time alarm system is designed. In the collaborative environment， different levels of relations are analyzed and the overall structure is devised， which provides correct decision support for the system alarm. The LCD liquid crystal display interface circuit designed by TQ2440 development board has two interfaces of 25?pin with dimensions of 2.0 mm and 20?pin with dimensions of 0.5 mm， which can be connected to various monochrome and color LCD screens. The chip TLP521?3 is used as the main chip of the information collector， which can connect the information channel by the button to provide data for the monitoring device. The monitoring device SIM900A is adopted to send monitoring instructions by UART port， and the sensitive gravity accelerometer is used to solve topographic information， obtain the maximum value of collapse risk， and complete the system design according to the implementation process of risk monitoring alarm. The experimental comparison results indicate that the error between the risk alarm prediction of this system and the actual alarm is kept in the range of -0.01～0.03， and this system has precise monitoring and good alarm effect， which provides guarantee for people′s life safety in coal mine area.

Keywords： coal mine ecology; collapse risk; remote monitoring; real?time alarm; collaborative environment; real?time database

0 ?引 ?言

在煤礦區(qū)生態(tài)開采過程中，如果工作人員有操作不當(dāng)行為，那么煤礦開采區(qū)域的巖體原有應(yīng)力就會受到破壞，導(dǎo)致應(yīng)力不平衡[1]。雖然應(yīng)力經(jīng)過重新組合后具有了新的平衡，但是在整個組合過程中地表出現(xiàn)了變形，經(jīng)過非連續(xù)性的破壞，煤礦生態(tài)開采區(qū)域出現(xiàn)了塌陷。煤礦塌陷具有五種形式，分別是非積水干旱塌陷、沼澤塌陷、季節(jié)性給水煤礦塌陷、常年性淺積水塌陷以及常年深給水塌陷[2]。煤礦塌陷現(xiàn)象不僅會對地區(qū)土壤造成不利影響，也會加劇當(dāng)?shù)馗珊祮栴}，水資源受到破壞，加重生態(tài)環(huán)境惡化。為了保障煤礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，對塌陷風(fēng)險進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測與報警成為擺在各級政府面前的主要難題[3]。傳統(tǒng)系統(tǒng)雖然功能強(qiáng)大，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用的都是定點式有線監(jiān)控，受限于傳輸線路影響，遠(yuǎn)程監(jiān)測效率較低，實用性較差，為此，以硬件 Raspberry Pi為應(yīng)用開發(fā)平臺，依托motion應(yīng)用，設(shè)計了基于實時數(shù)據(jù)庫的遠(yuǎn)程監(jiān)測與實時報警系統(tǒng)。利用系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)引擎，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)斷點自動補充，保證數(shù)據(jù)監(jiān)測完整性，進(jìn)而提高監(jiān)測效率，為系統(tǒng)實時報警提供數(shù)據(jù)支持。

1 ?系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

在協(xié)同環(huán)境下研發(fā)系統(tǒng)能夠提升資源利用效率，打破傳統(tǒng)系統(tǒng)封閉的信息孤島，實現(xiàn)煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、自動歸檔，保障信息資源的遠(yuǎn)程通信[4]。依托該環(huán)境，分析表1所示的層次關(guān)系。

通過基礎(chǔ)層可支持系統(tǒng)正常運行，該過程需在協(xié)同環(huán)境下進(jìn)行，資源層所存在的數(shù)據(jù)資源為資源服務(wù)中心提供數(shù)據(jù)支撐[5]。表現(xiàn)層負(fù)責(zé)為前臺界面提供窗口，使集成到門戶中統(tǒng)一展現(xiàn)，按照國家相關(guān)安全等級，建立安全體系，保證數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)用程序和用戶訪問安全[6]。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

由圖1可知：煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險遠(yuǎn)程監(jiān)測與實時報警系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)整合現(xiàn)場監(jiān)測信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理與分析等功能，依據(jù)這些信息可為系統(tǒng)報警提供正確決策支持[7]。

2 ?硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)主要通過嵌入式終端進(jìn)行風(fēng)險信息采集，并監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)是否需要報警提示。當(dāng)目標(biāo)需要報警提示時，通過與終端連接的設(shè)備進(jìn)行報警信息播放，同時用戶可通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控[8?10]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

硬件平臺采用某公司生產(chǎn)的開發(fā)板來實現(xiàn)，選擇型號為S3C2440，核心板主頻為400 MHz，同步動態(tài)隨機(jī)存儲器運行系統(tǒng)功能，通過USB接口實現(xiàn)攝像頭與無線網(wǎng)卡的連接[11]。

2.1 ?LCD液晶顯示接口電路

采用TQ2440開發(fā)板設(shè)計的LCD液晶顯示接口電路如圖3所示。

由圖3可知，液晶屏具有兩種接口方式，分別是25針2.0 mm和20針0.5 mm，該接口設(shè)置能夠接各種單色和彩色液晶屏，為監(jiān)測和報警結(jié)果提供顯示界面[12]。

2.2 ?風(fēng)險信息采集器

風(fēng)險信息采集器主要安裝在智能終端，并存儲到數(shù)據(jù)庫之中，由于煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險遠(yuǎn)程信息采集需要的數(shù)據(jù)是真實的，因此，需要準(zhǔn)確判斷監(jiān)測風(fēng)險，并實時對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

基于實時數(shù)據(jù)庫的煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險監(jiān)測與報警系統(tǒng)離不開風(fēng)險信息采集電路，如圖4所示。

由圖4可知，采用TLP521?3型號芯片作為信息采集器的主要芯片，可將按鈕BUTTON1連接到信息通道1之中，按鈕BUTTON2，BUTTON3，BUTTON4分別連接到信息通道2，3，4上，為系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測提供數(shù)據(jù)[13]。

2.3 ?監(jiān)測裝置

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測裝置成為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要裝置，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募磿r性，充分利用網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域廣的優(yōu)勢，設(shè)計如圖5所示的監(jiān)測裝置。

由圖5可知，采用SIM900A型號的監(jiān)測裝置模塊具有雙頻功能，在該模塊內(nèi)部集成了TCP協(xié)議棧，通過Raspberry Pi的UART端口發(fā)送監(jiān)測指令，將接收到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)包形式進(jìn)行傳送。

采用某公司生產(chǎn)的開發(fā)板設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)，核心板主頻為400 MHz，使用TQ2440的開發(fā)板設(shè)計的LCD液晶顯示接口電路，為監(jiān)測和報警結(jié)果提供顯示界面。安裝在智能終端的風(fēng)險信息采集器可通過TLP521?3型號芯片的信息采集器采集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，為監(jiān)測風(fēng)險判斷提供依據(jù)。采用SIM900A型號的監(jiān)測裝置可通過UART端口發(fā)送監(jiān)測指令，經(jīng)過軟件功能設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)報警。

3 ?軟件功能

由于所設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)控與報警系統(tǒng)是在實時數(shù)據(jù)庫下對數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新與處理的，這要求軟件必須具有較強(qiáng)的時限功能。實時數(shù)據(jù)庫是以內(nèi)存數(shù)據(jù)庫為底層支持，使整個數(shù)據(jù)庫能夠分為兩個部分，分別是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫，通過存儲一定數(shù)據(jù)，對無用數(shù)據(jù)進(jìn)行清除，利用實時數(shù)據(jù)庫對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

采用命令“sudo apt?get install motion”安裝監(jiān)測和報警軟件，使用文本編輯工具打開文件，并對配置文件進(jìn)行適當(dāng)修改。當(dāng)監(jiān)測器發(fā)現(xiàn)視頻中的某個區(qū)域變化超過閾值時，就會捕捉該畫面，并對其進(jìn)行適當(dāng)放大處理，并改變動作捕捉敏感度。

具體軟件工作流程如下所示：

1） 創(chuàng)建管理線程。

2） 探測監(jiān)測設(shè)備。

3） 查看是否探測到視頻設(shè)備，如果否，則需返回到步驟2）;如果是，則需進(jìn)行步驟4）。

4） 讀取并設(shè)置監(jiān)測設(shè)備的一些參數(shù)。

5） 創(chuàng)建信息采集線程。

6） 打開Socket并等待客戶端連接。

7） 查看連接是否成功，如果失敗，則返回到步驟6）;如果成功，則需創(chuàng)建線程服務(wù)，并向客戶端傳輸數(shù)據(jù)。

當(dāng)開啟監(jiān)測設(shè)備時，設(shè)備會以一定幀速拍攝監(jiān)控內(nèi)容，當(dāng)監(jiān)測到的內(nèi)容中含有固定大小像素變化時，則可說明在該范圍內(nèi)有坍塌風(fēng)險，將觸發(fā)一個事件。記錄事件發(fā)生的時間，并存儲到/home/pi/motion/tmp/videotime實時數(shù)據(jù)庫之中。一旦發(fā)現(xiàn)有坍塌風(fēng)險時，在連續(xù)5 s內(nèi)監(jiān)測到的畫面像素變化值都小于設(shè)定的閾值，那么將觸發(fā)第二個事件，通過該事件能夠找到相關(guān)文件信息，方便系統(tǒng)報警方案的實施。

使用加速度計敏感重力加速度求解地勢信息，基本原理如圖6所示。

由圖6可知，[g]表示地球表面垂直方向重力加速度;[α]表示敏感地勢方向的加速度與重力加速度夾角，由此計算地勢信息關(guān)系為：

[S=-g?cos α]

式中，夾角[α]越大，加速度計探測值就越小，監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)傾斜，則說明煤礦區(qū)生態(tài)有較大塌陷風(fēng)險。

根據(jù)上述內(nèi)容，可實現(xiàn)監(jiān)控風(fēng)險報警，具體實現(xiàn)流程如圖7所示。

依據(jù)圖7所示流程對程序進(jìn)行初始化處理，使每個程序都具有讀取實時數(shù)據(jù)功能，實現(xiàn)對煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險遠(yuǎn)程實時預(yù)警。

4 ?實 ?驗

采用數(shù)字信號處理器的監(jiān)控視頻處理芯片對視頻進(jìn)行壓縮處理，以此作為實驗分析的樣本，對基于實時數(shù)據(jù)庫的煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險遠(yuǎn)程監(jiān)測與實時報警系統(tǒng)設(shè)計合理性進(jìn)行驗證。

4.1 ?實驗參數(shù)與環(huán)境設(shè)置

布置網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都是靜態(tài)的，因此對于節(jié)點能量獲取是有限的。如果出現(xiàn)節(jié)點能量消耗殆盡的情況，那么傳感節(jié)點將不再采集數(shù)據(jù)。因此，固定傳感節(jié)點，保證每個節(jié)點都有唯一ID屬性，方便實驗后續(xù)觀察。在該實驗環(huán)境下對實驗參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表2所示。

使用較大的CPU內(nèi)存能夠保證實驗數(shù)據(jù)的大量存儲，為實驗分析提供數(shù)據(jù)存儲空間。

4.2 ?實驗數(shù)據(jù)分析

受到信號干擾，監(jiān)測與實時報警系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中就會受到影響，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)一定偏差，在協(xié)同環(huán)境下，收集10 min的全部信息，如表3所示。

根據(jù)表3收集的全部數(shù)據(jù)，對實驗結(jié)果展開分析。

4.3 ?實驗結(jié)果與分析

傳統(tǒng)系統(tǒng)是有線連接，而基于實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是無線連接，不會受到傳輸距離的影響，具有良好的監(jiān)測和報警效果，而傳統(tǒng)系統(tǒng)缺少調(diào)控一體化報警功能，導(dǎo)致報警效果較差，為了驗證該點進(jìn)行實驗驗證分析。

實際風(fēng)險數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測結(jié)果如表4所示。

由表4可知，將時間控制在80 s內(nèi)對5個位置點進(jìn)行風(fēng)險數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測，通過監(jiān)測結(jié)果可知，需要報警的位置點分別為1，2，3，4;與此相對應(yīng)的監(jiān)測時間為20 s，60 s。

根據(jù)上述內(nèi)容，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對其中3個監(jiān)測點的預(yù)測值進(jìn)行對比，并分析實時數(shù)據(jù)系統(tǒng)預(yù)測誤差，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：采用傳統(tǒng)系統(tǒng)與實際值偏差較大，而基于實時數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)與實際值曲線大致吻合，即使出現(xiàn)誤差，但誤差保持在-0.01～0.03范圍內(nèi)，說明該系統(tǒng)監(jiān)測與報警效果較好，也由此驗證了基于實時數(shù)據(jù)庫的煤礦區(qū)生態(tài)塌陷風(fēng)險遠(yuǎn)程監(jiān)測與實時報警系統(tǒng)設(shè)計具有合理性。

5 ?結(jié) ?語

根據(jù)煤礦區(qū)生態(tài)塌陷環(huán)境的概述，明確系統(tǒng)監(jiān)控要求，針對具體監(jiān)控位置，設(shè)計了詳細(xì)解決實施方案，形成了整體系統(tǒng)報警工作原理。采用數(shù)據(jù)庫設(shè)計的系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)完整和正確性，支持?jǐn)U展應(yīng)用，保證管理層快速、準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)，提高報警科學(xué)性。該系統(tǒng)的監(jiān)控方式與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，增強(qiáng)了監(jiān)控的自由性，減小了對客戶端程序的依賴，實現(xiàn)了多客戶端同時訪問。

圖8 ?兩種系統(tǒng)監(jiān)測與報警情況對比分析

參考文獻(xiàn)

[1] 肖武，李素萃，王錚，等.高潛水位煤礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險識別與評價[J].生態(tài)學(xué)報，2016，36（17）：5611?5619.

[2] 烏仁其其格，張德平，雷霆，等.呼倫貝爾草原采煤塌陷區(qū)植物群落變化分析：以內(nèi)蒙古寶日希勒煤礦區(qū)為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2016，30（12）：141?145.

[3] 崔魯楠，王寧，李玉成，等.淮南煤礦塌陷區(qū)不同塌陷類型土壤理化性質(zhì)及其酶活性比較[J].水土保持研究，2016，23（5）：90?94.

[4] 都成剛，黃靜.柔性交流輸電系統(tǒng)設(shè)備對電力系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險的影響[J].電子設(shè)計工程，2018，26（6）：189?193.

[5] 喬牡丹，閆敏，左合君，等.上灣煤礦塌陷區(qū)群落植被特征[J].北方園藝，2017（23）：133?140.

[6] 賈亞琪，程志飛，劉品禎，等.煤礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬積累特征及生態(tài)風(fēng)險評價[J].土壤通報，2016，47（2）：474?479.

[7] 梁志宏.動態(tài)Web變異信息實時遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（11）：14?17.

[8] 熊劦，鄧衛(wèi)華，胡佳軍，等.基于CIMISS的區(qū)域災(zāi)害性天氣實時監(jiān)測與報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].氣象科技，2017，45（3）：453?459.

[9] 馮超，徐艷蕾.基于物聯(lián)網(wǎng)的糧食倉庫遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2017，38（2）：328?334.

[10] 譚琦.監(jiān)控組態(tài)軟件運行實時性檢測仿真研究[J].計算機(jī)仿真，2018，35（3）：353?356.

[11] 王曉峰，郝瀟.大型嵌入式煤礦液壓機(jī)械控制優(yōu)化模型仿真[J].計算機(jī)仿真，2016，33（4）：381?384.

[12] WU Yongling， YANG Na， PAN Xiaohui， et al. Design on remote detection system of humidity based on LabVIEW and team viewer [J]. Bulletin of science and technology， 2017， 33（11）： 87?89.

[13] 李光明，戴晴晴，黨小娟.基于LabVIEW和Keithley 2400遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（6）：155?158.

作者簡介：吳偉力（1979—），男，山東青島人，博士研究生，副教授，研究方向為統(tǒng)計學(xué)。