基于智能遙感識(shí)別的礦山水工環(huán)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

呂相偉，劉 垚

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心遼寧總隊(duì)，遼寧 錦州 121000）

礦山水工環(huán)災(zāi)害種類很多，引起礦山水工環(huán)災(zāi)害的主要原因有：在水利工程開展之前需要監(jiān)測(cè)水質(zhì)和對(duì)水下情況有一個(gè)基本的了解，如果不進(jìn)行調(diào)查就盲目開展工作就會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)被破壞。工作人員如果綜合素質(zhì)不高，在日常工作中經(jīng)常出現(xiàn)操作錯(cuò)誤，也會(huì)對(duì)地表造成破壞，嚴(yán)重的甚至危害周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。礦山水工環(huán)勘探設(shè)備不齊全，災(zāi)害發(fā)生無法及時(shí)監(jiān)測(cè)到。遙感技術(shù)主要根據(jù)不同的物體在遙感設(shè)備下產(chǎn)生的波長不同來對(duì)物體進(jìn)行監(jiān)測(cè)和區(qū)分的一種現(xiàn)代化技術(shù)，專業(yè)技術(shù)人員通過遙感技術(shù)可以對(duì)地表和地下的各種物品進(jìn)行分析，遙感技術(shù)對(duì)水工環(huán)地質(zhì)情況的反饋可以幫助技術(shù)人員判斷和分析當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況，遙感技術(shù)的應(yīng)用減少了礦山水工環(huán)勘探的工作強(qiáng)度。既然遙感技術(shù)可以利用在地質(zhì)的勘探中，那么在水工環(huán)的災(zāi)害的監(jiān)測(cè)中也能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，在災(zāi)害數(shù)據(jù)采集上應(yīng)用智能遙感識(shí)別技術(shù)，減少物力、人力的浪費(fèi)，提高礦山水工環(huán)的工作效率。

1 設(shè)計(jì)礦山水工環(huán)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件

（1）設(shè)計(jì)智能遙感識(shí)別器單片機(jī)。為保證設(shè)計(jì)系統(tǒng)中智能遙感識(shí)別器對(duì)數(shù)據(jù)采集的精確度，重新設(shè)計(jì)遙感識(shí)別器單片機(jī)。單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集要植入108M3396fie45V芯片，在數(shù)據(jù)采集服務(wù)器終端放置，首先對(duì)礦山水工環(huán)災(zāi)害圖像進(jìn)行邊緣性監(jiān)測(cè)，地質(zhì)勘探類的遙感識(shí)別分為傳感器模塊、108M3396fie45V單片機(jī)模式、系統(tǒng)控制模塊和采集圖像處理模塊，如圖1所示。108M3396fie45V單片機(jī)供應(yīng)10×200的6位CMOS圖像，單片機(jī)的主要應(yīng)用設(shè)備包括蓄電池、不間斷供電電源、通過過濾顏色和噪聲聲波的濾波器，濕度傳感器，內(nèi)嵌2K×18位的ROW、通過終端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件配電單元電路傳輸設(shè)備[1]，單片機(jī)這樣組裝后就可以不用切換屏幕同時(shí)顯示采集到的25個(gè)目標(biāo)圖像，而圖像保存內(nèi)存也增大，外部ROW和內(nèi)部ROW相比接口擁有3.25V的電壓，不間斷供電電源保證不會(huì)因?yàn)殡姵乩m(xù)航問題出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)中途被迫停止的現(xiàn)象。

圖1 單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸流程

（2）設(shè)計(jì)圖像處理板。采集數(shù)據(jù)方式以數(shù)據(jù)參數(shù)為劃分標(biāo)準(zhǔn)，圖像處理模塊主要是進(jìn)行圖像視覺效果的采集兼顧地質(zhì)圖像分析，圖像處理模塊細(xì)分為輸入模塊、智能處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、圖像還原地質(zhì)模塊、調(diào)試接口[2]。圖像視覺效果采集采用礦山水圖像S/D芯片，可直接完成高清圖片采集，將礦山水工環(huán)的地表情況完整清晰的展示在我們面前。遙感識(shí)別保證采集圖像清晰的必要條件除了超高的像素之外就是減震防抖動(dòng)，S/D芯片的抗抖動(dòng)能力很強(qiáng)符合遙感識(shí)別的技術(shù)需求。DSP處理器可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，壓縮處理后的數(shù)據(jù)傳輸更加方便快捷，傳輸模塊可以對(duì)壓縮后的圖像使用400MH的處理器核進(jìn)行傳輸，采用網(wǎng)絡(luò)控制芯片實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器分別用于儲(chǔ)存圖像和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。

（3）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集無線設(shè)備電機(jī)。目前市場上設(shè)計(jì)PLC主程序和附屬程序之間溝通無線設(shè)備的公司有很多，本系統(tǒng)采用的是TTY590無線設(shè)備模塊實(shí)主程序和附屬程序之間的數(shù)據(jù)傳輸基于TTY590無線設(shè)備，該設(shè)備需要根據(jù)設(shè)備協(xié)議、機(jī)械指令等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后正常進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，PLC的無線設(shè)備通訊地址盡量按照規(guī)定數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，在此基礎(chǔ)上記錄數(shù)據(jù)采集電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，遙感激光器的控制模塊設(shè)置好遙感期頻率和功率，按照以上步驟都調(diào)制好以后，調(diào)試出適合數(shù)據(jù)采集器的電機(jī)。

2 設(shè)計(jì)礦山水工環(huán)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件

（1）優(yōu)化PLC程序數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山水工環(huán)災(zāi)害的現(xiàn)場控制和數(shù)據(jù)傳輸后的遠(yuǎn)程控制，現(xiàn)場模式下負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ魅藛T需要對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行修改設(shè)置，遠(yuǎn)程操作人員在其他控制位對(duì)參數(shù)也能進(jìn)行修改設(shè)置。不需要親臨現(xiàn)場就能實(shí)現(xiàn)修改參數(shù)。遠(yuǎn)程控制需要程序編寫來實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)的程序由主要程序，礦山水工環(huán)現(xiàn)場控制程序和其他數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)程程序組成，主程序是控制和連接現(xiàn)場程序和遠(yuǎn)程程序的，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場程序和遠(yuǎn)程程序的同時(shí)運(yùn)作和來回切換?，F(xiàn)場程序用于在礦山當(dāng)?shù)剡M(jìn)行水工環(huán)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集和傳輸，遠(yuǎn)程程序在災(zāi)害總控制監(jiān)測(cè)部控制數(shù)據(jù)的傳輸和接收。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩丝诰嚯x太遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸PLC程序的傳輸和接收以及對(duì)程序的調(diào)試，可能會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋不夠全面而導(dǎo)致中途信號(hào)斷連，無法實(shí)現(xiàn)PLC下載和運(yùn)作，所以在主程序上采取將PLC和圖像處理芯片連接起來的方式能夠在信號(hào)不佳的情況下插入SIM卡就能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，打開計(jì)算機(jī)設(shè)置上下機(jī)位連接通道，給PLC和圖像處理芯片接上電，連接成功后就可以下載遠(yuǎn)程PLC程序了。下載PLC程序優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)之后將大大提高數(shù)據(jù)采集的效率，可實(shí)現(xiàn)災(zāi)害數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。

（2）實(shí)現(xiàn)災(zāi)害數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。本地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)部門數(shù)據(jù)采集在上機(jī)位和下機(jī)位PLC程序監(jiān)測(cè)水工環(huán)災(zāi)害都需要數(shù)據(jù)傳輸，PLC網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后無線通訊方式可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃幸?，無線通訊在總程序和遠(yuǎn)程程序、現(xiàn)場程序架起一道橋梁。優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)后保證數(shù)據(jù)采集后可以傳輸?shù)接脩羰种?，設(shè)定用戶指令，在用戶設(shè)置固定頻次的信號(hào)后開始監(jiān)測(cè)，圖像開始處理為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)開始接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過代碼轉(zhuǎn)換變成用戶可識(shí)別數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收、識(shí)別和儲(chǔ)存是整個(gè)數(shù)據(jù)采集的核心模塊，第一部分的操作屬于預(yù)參數(shù)設(shè)置，外控形式的預(yù)參數(shù)設(shè)置利用的SER、XDRT兩種接口，為保證網(wǎng)絡(luò)不被干擾，不要進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)的更換。

水工環(huán)災(zāi)害實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集終端為了實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，有效的儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，不僅會(huì)通過108M3396fie45V單片機(jī)將數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降V上本地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)部門，還會(huì)將備份采集數(shù)據(jù)輸送到對(duì)水工環(huán)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的總監(jiān)測(cè)部門。終端數(shù)據(jù)接收口實(shí)時(shí)處于可以回應(yīng)信號(hào)狀態(tài)，中途轉(zhuǎn)換設(shè)備及秩序要讀取終端數(shù)據(jù)，而不需要再重新采集數(shù)據(jù)。礦山水工一旦發(fā)生災(zāi)害，設(shè)備報(bào)警信號(hào)會(huì)立即發(fā)射到本地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)部門。為了確保數(shù)據(jù)采集過程中的安全性，數(shù)據(jù)還要進(jìn)行三列算法加密，把任意數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三列加密數(shù)據(jù)，通過三列數(shù)據(jù)獨(dú)有算法將原始數(shù)據(jù)提取出來得到對(duì)應(yīng)的三列值，完成最后的數(shù)據(jù)采集。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

（1）數(shù)據(jù)采集可靠性測(cè)試。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的水工環(huán)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集的可靠性設(shè)計(jì)以下測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

首先對(duì)智能遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布糠诌M(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)條件如下:①植入108M3396fie45V芯片的單片機(jī)產(chǎn)生同頻率邊緣測(cè)試脈沖信號(hào)作為災(zāi)害地質(zhì)信號(hào)發(fā)送和終端接頻信號(hào)，頻率為15Hz，邊緣測(cè)試兩路回彈信號(hào)間隔4550，并將單片機(jī)連接到無線續(xù)航的蓄電池上。②單片機(jī)經(jīng)過參數(shù)修改接收信號(hào)途徑變?yōu)樵瓉淼?倍，加上原路徑一共4條路徑，四條路徑如果都是暢通無阻的情況下，數(shù)據(jù)傳播速度是原來的4倍，如果有兩條以上的路徑的信號(hào)不連續(xù)，數(shù)據(jù)傳播的速度也是原來的2倍。③圖像處理器連接了ROM后，大量數(shù)據(jù)傳輸在同一屏幕上同時(shí)顯示25個(gè)數(shù)據(jù)圖像。④FDS發(fā)出礦山災(zāi)害地質(zhì)變化模擬信號(hào)，計(jì)算終端接收信號(hào)時(shí)間差，現(xiàn)場控制系統(tǒng)接收和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)延遲接收。⑤對(duì)現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)接收。

（2）測(cè)試結(jié)果。圖2給出了智能遙感識(shí)別中，數(shù)據(jù)采集主程序抓取到的現(xiàn)場程序端口中實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)采集結(jié)果圖。

圖2 數(shù)據(jù)采集結(jié)果

單片機(jī)通過A、B兩條路徑傳輸和傳入數(shù)據(jù)，由圖可以看出單片機(jī)接口植入108M3396fie45V芯片后數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性如下：①植入108M3396fie45V芯片的單片機(jī)保存的數(shù)據(jù)是以往的2倍，保存下來的數(shù)據(jù)通過芯片分析發(fā)現(xiàn)常熟數(shù)據(jù)具有連續(xù)性②傳輸數(shù)據(jù)不僅連續(xù)而且可以在系統(tǒng)主系統(tǒng)中計(jì)算分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，災(zāi)害數(shù)據(jù)采集中如果因操作員操作失誤而被誤發(fā)的數(shù)據(jù)可以被篩選出來③為避免一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有偶然性，上述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行10次反復(fù)試驗(yàn)，均得到以上結(jié)果。④系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)包中每次接收到數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔可以更有效的算計(jì)反復(fù)試驗(yàn)的誤差⑤結(jié)合現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)，經(jīng)分析得出，數(shù)據(jù)傳輸率在30M/S且數(shù)據(jù)保存完整，災(zāi)害數(shù)據(jù)采集完整的進(jìn)行10次數(shù)據(jù)傳輸，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)全部被刪除。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)完全可以滿足礦山水工環(huán)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集的要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過重新設(shè)計(jì)遙感識(shí)別器單片機(jī)和重新設(shè)計(jì)圖像處理器，優(yōu)化了礦山水工環(huán)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集。加強(qiáng)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的可靠性。但是本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)還有不足之處，改良單片機(jī)和程序比較繁瑣，圖像處理器里連接成本較高，在今后的研究過程中，可有設(shè)計(jì)出更簡便經(jīng)濟(jì)的操作系統(tǒng)。