基于物聯網的煤礦粉塵在線預警系統

姚逸程

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，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，對人員和設備造成巨大的安全隱患[1]。煤礦企業及高校在煤礦粉塵濃度防控及監測方面有了深入研究，但是與實際生產中的需求仍有一定差距，難以做到粉塵濃度實時監測并提前預警。亟需建立一種能夠全方位監測煤礦井下情況的在線預警系統，便于測量粉塵濃度并及時預警。

物聯網技術為煤礦粉塵濃度的在線預警提供了一種新的技術路徑，本文基于物聯網技術設計了一種融合物聯網、大數據和人工智能算法的煤礦粉塵預警系統，適用于煤礦井下的復雜環境，具有較高的實用價值。通過孤立森林算法監測煤礦井下粉塵濃度的異常點，實時對井下各個監測終端粉塵濃度預警，以實現監測的無線化和智能化[2]。

2 粉塵預警系統總體設計

基于物聯網煤礦粉塵預警系統總體設計如圖1所示，將系統分為感知層、網絡層和云平臺[3]。粉塵預警系統的無線通信網絡采用ZigBee技術，ZigBee有網絡節點數量大、成本低、功耗低等特點，便于在井下作信號傳輸網絡。

感知層主要負責粉塵傳感器信號采集、發送數據等功能，網絡層主要通過ZigBee傳輸基站將感知層發來的數據上傳至云平臺，云平臺則對感知層收到的數據進行處理，實時將檢測后的粉塵濃度上傳至預警平臺端。若發現異常數據，立即通過網絡層下發報警信號到煤礦科室和井下終端，及時通報作業人員險情并撤離。

圖1 煤礦粉塵在線預警系統架構

3 粉塵預警系統硬件設計

煤礦井下粉塵濃度的報警系統硬件結構如圖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終端節點、CC2530協調器和電源模塊[4]。

圖2 系統硬件框圖

煤礦井下各粉塵傳感器將采集到的數據傳入CC2530終端節點，各終端節點通過ZigBee無線通信傳輸至CC2530協調器中，CC2530協調器通過串口通信將得到的數據發送給STM32主控制芯片。

3.1 ZigBee無線通信模塊設計

3.1.1 終端節點設計

粉塵預警系統存在分布基站多、覆蓋范圍大等特點，故選用CC2530射頻芯片來為ZigBee模塊處理通信數據，其具有功耗低、性能高的8051控制內核在物聯網中廣泛應用，可實現多個MCU協同控制終端節點和協調器，監測終端采集的粉塵濃度數據通過A/D轉換后由終端節點的CC2530無線模塊發給CC2530協調器[5]。

3.1.2 協調器節點設計

在ZigBee無線模塊中，協調器的主要功能是配置和接受終端傳感器節點采集的數據，并將數據通過串口通信發送到主控制器STM32F407進行數據融合處理，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變為數字信號或模擬信號的傳感器件，本系統選用ZH03BMOKU粉塵傳感器，其具有驅動電路簡單、響應速度快、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終端節點相連,定點定時的將采集到的數據轉換成模擬量信號，通過ZigBee無線傳輸網絡發送到STM32單片機進行模數轉換后通過網絡基站上傳到云平臺，實現對井下粉塵濃度的在線監測，粉塵傳感器原理圖如圖3所示。

圖3 粉塵傳感器原理

4 粉塵預警系統軟件設計

4.1 終端節點程序設計

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終端節點連接網絡，當網絡連接成功后，將CC2530終端節點得到的數據通過ZigBee無線網絡傳輸給CC2530協調器[7]。程序流程如圖4所示。

圖4 終端節點程序設計

4.2 云平臺程序設計

云平臺主要包括云架構的基礎服務設施(IaaS)和平臺服務功能(PaaS),其中IaaS層將收到的數據構建虛擬資源池，提供虛擬的服務[8]。云平臺是實現煤礦粉塵濃度預警系統的關鍵，云平臺得到網絡層發送的數據后運用孤立森林算法檢測異常值來實現在線預警的功能，軟件流程如圖5所示。

圖5 云平臺程序設計

5 在線預警系統

預警功能是該系統的核心，煤礦井下條件復雜多變，基站數量大，粉塵傳感器采集到的數據通過網絡層上傳到云平臺后，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據集構建二叉樹并不斷的進行分割，把異常值孤立出來[9]。在線預警系統自動監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，預警平臺自動生成井下粉塵濃度危險報告，管理員可以根據報告查看異常源頭，并對井下指定位置快速下達報警信號[10]。

6 結論

本文設計了一種基于物聯網的煤礦粉塵在線預警系統，克服了傳統煤礦粉塵預警系統傳輸速率慢、安全性差等特點，采用ZigBee無線傳感器通信技術，將感知層收集到的煤礦粉塵數據實時傳輸給云平臺[11]。分析了系統的軟、硬件電路和孤立森林算法的可行性，能夠對井下粉塵濃度異常現象起到在線預警的作用。