基于智能遙感識別的礦山水工環災害數據采集系統

呂相偉，劉 垚

（中國建筑材料工業地質勘查中心遼寧總隊，遼寧 錦州 121000）

礦山水工環災害種類很多，引起礦山水工環災害的主要原因有：在水利工程開展之前需要監測水質和對水下情況有一個基本的了解，如果不進行調查就盲目開展工作就會導致地質被破壞。工作人員如果綜合素質不高，在日常工作中經常出現操作錯誤，也會對地表造成破壞，嚴重的甚至危害周邊居民的生命財產安全。礦山水工環勘探設備不齊全，災害發生無法及時監測到。遙感技術主要根據不同的物體在遙感設備下產生的波長不同來對物體進行監測和區分的一種現代化技術，專業技術人員通過遙感技術可以對地表和地下的各種物品進行分析，遙感技術對水工環地質情況的反饋可以幫助技術人員判斷和分析當地的地質情況，遙感技術的應用減少了礦山水工環勘探的工作強度。既然遙感技術可以利用在地質的勘探中，那么在水工環的災害的監測中也能發揮優勢，在災害數據采集上應用智能遙感識別技術，減少物力、人力的浪費，提高礦山水工環的工作效率。

1 設計礦山水工環災害數據采集系統硬件

（1）設計智能遙感識別器單片機。為保證設計系統中智能遙感識別器對數據采集的精確度，重新設計遙感識別器單片機。單片機的數據采集要植入108M3396fie45V芯片，在數據采集服務器終端放置，首先對礦山水工環災害圖像進行邊緣性監測，地質勘探類的遙感識別分為傳感器模塊、108M3396fie45V單片機模式、系統控制模塊和采集圖像處理模塊，如圖1所示。108M3396fie45V單片機供應10×200的6位CMOS圖像，單片機的主要應用設備包括蓄電池、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，內嵌2K×18位的ROW、通過終端數據監測系統硬件配電單元電路傳輸設備[1]，單片機這樣組裝后就可以不用切換屏幕同時顯示采集到的25個目標圖像，而圖像保存內存也增大，外部ROW和內部ROW相比接口擁有3.25V的電壓，不間斷供電電源保證不會因為電池續航問題出現采集數據中途被迫停止的現象。

圖1 單片機數據傳輸流程

（2）設計圖像處理板。采集數據方式以數據參數為劃分標準，圖像處理模塊主要是進行圖像視覺效果的采集兼顧地質圖像分析，圖像處理模塊細分為輸入模塊、智能處理模塊、數據傳輸模塊、數據保存模塊、圖像還原地質模塊、調試接口[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，將礦山水工環的地表情況完整清晰的展示在我們面前。遙感識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，S/D芯片的抗抖動能力很強符合遙感識別的技術需求。DSP處理器可以對數據進行壓縮，壓縮處理后的數據傳輸更加方便快捷，傳輸模塊可以對壓縮后的圖像使用400MH的處理器核進行傳輸，采用網絡控制芯片實現存儲器分別用于儲存圖像和儲存數據。

（3）設計數據采集無線設備電機。目前市場上設計PLC主程序和附屬程序之間溝通無線設備的公司有很多，本系統采用的是TTY590無線設備模塊實主程序和附屬程序之間的數據傳輸基于TTY590無線設備，該設備需要根據設備協議、機械指令等進行數據采集，然后正常進行數據保存，PLC的無線設備通訊地址盡量按照規定數值進行設定，在此基礎上記錄數據采集電機旋轉角度，遙感激光器的控制模塊設置好遙感期頻率和功率，按照以上步驟都調制好以后，調試出適合數據采集器的電機。

2 設計礦山水工環災害數據采集系統軟件

（1）優化PLC程序數據采集網絡。本系統要實現對礦山水工環災害的現場控制和數據傳輸后的遠程控制，現場模式下負責數據傳輸的工作人員需要對電機參數進行修改設置，遠程操作人員在其他控制位對參數也能進行修改設置。不需要親臨現場就能實現修改參數。遠程控制需要程序編寫來實現，本系統的程序由主要程序，礦山水工環現場控制程序和其他數據監測點遠程程序組成，主程序是控制和連接現場程序和遠程程序的，可以實現現場程序和遠程程序的同時運作和來回切換。現場程序用于在礦山當地進行水工環災害數據采集和傳輸，遠程程序在災害總控制監測部控制數據的傳輸和接收。系統中數據傳輸的端口距離太遠，網絡傳輸PLC程序的傳輸和接收以及對程序的調試，可能會因為網絡信號覆蓋不夠全面而導致中途信號斷連，無法實現PLC下載和運作，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不佳的情況下插入SIM卡就能實現網絡恢復，打開計算機設置上下機位連接通道，給PLC和圖像處理芯片接上電，連接成功后就可以下載遠程PLC程序了。下載PLC程序優化網絡之后將大大提高數據采集的效率，可實現災害數據實時采集。

（2）實現災害數據實時采集。本地數據監測部門數據采集在上機位和下機位PLC程序監測水工環災害都需要數據傳輸，PLC網絡優化后無線通訊方式可以滿足數據傳輸的所有要求，無線通訊在總程序和遠程程序、現場程序架起一道橋梁。優化網絡后保證數據采集后可以傳輸到用戶手中，設定用戶指令，在用戶設置固定頻次的信號后開始監測，圖像開始處理為實時數據，實時數據被輸入計算機，計算機開始接收數據，經過代碼轉換變成用戶可識別數據，存儲在計算機中。實時數據的接收、識別和儲存是整個數據采集的核心模塊，第一部分的操作屬于預參數設置，外控形式的預參數設置利用的SER、XDRT兩種接口，為保證網絡不被干擾，不要進行短時間內的更換。

水工環災害實時數據采集終端為了實時采集數據，有效的儲存數據，不僅會通過108M3396fie45V單片機將數據網絡傳輸到礦上本地數據監測部門，還會將備份采集數據輸送到對水工環災害監測的總監測部門。終端數據接收口實時處于可以回應信號狀態，中途轉換設備及秩序要讀取終端數據，而不需要再重新采集數據。礦山水工一旦發生災害，設備報警信號會立即發射到本地數據監測部門。為了確保數據采集過程中的安全性，數據還要進行三列算法加密，把任意數據轉換為三列加密數據，通過三列數據獨有算法將原始數據提取出來得到對應的三列值，完成最后的數據采集。

3 測試實驗

（1）數據采集可靠性測試。為了驗證本文設計的水工環災害數據采集的可靠性設計以下測試實驗。

首先對智能遙感數據傳輸的硬件部分進行實驗測試。實驗條件如下:①植入108M3396fie45V芯片的單片機產生同頻率邊緣測試脈沖信號作為災害地質信號發送和終端接頻信號，頻率為15Hz，邊緣測試兩路回彈信號間隔4550，并將單片機連接到無線續航的蓄電池上。②單片機經過參數修改接收信號途徑變為原來的3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，數據傳播速度是原來的4倍，如果有兩條以上的路徑的信號不連續，數據傳播的速度也是原來的2倍。③圖像處理器連接了ROM后，大量數據傳輸在同一屏幕上同時顯示25個數據圖像。④FDS發出礦山災害地質變化模擬信號，計算終端接收信號時間差，現場控制系統接收和遠程控制系統數據延遲接收。⑤對現場控制數據接收。

（2）測試結果。圖2給出了智能遙感識別中，數據采集主程序抓取到的現場程序端口中實測的數據采集結果圖。

圖2 數據采集結果

單片機通過A、B兩條路徑傳輸和傳入數據，由圖可以看出單片機接口植入108M3396fie45V芯片后數據傳輸的正確性如下：①植入108M3396fie45V芯片的單片機保存的數據是以往的2倍，保存下來的數據通過芯片分析發現常熟數據具有連續性②傳輸數據不僅連續而且可以在系統主系統中計算分析數據的準確性，災害數據采集中如果因操作員操作失誤而被誤發的數據可以被篩選出來③為避免一次實驗結果具有偶然性，上述實驗步驟進行10次反復試驗，均得到以上結果。④系統數據采集統計包中每次接收到數據采集的時間間隔可以更有效的算計反復試驗的誤差⑤結合現場控制數據，經分析得出，數據傳輸率在30M/S且數據保存完整，災害數據采集完整的進行10次數據傳輸，錯誤數據全部被刪除。實驗測試結果顯示本文設計系統完全可以滿足礦山水工環災害數據采集的要求。

4 結束語

本文設計的系統在傳統系統的基礎上通過重新設計遙感識別器單片機和重新設計圖像處理器，優化了礦山水工環災害數據采集。加強了系統的數據采集的可靠性。但是本文系統設計還有不足之處，改良單片機和程序比較繁瑣，圖像處理器里連接成本較高，在今后的研究過程中，可有設計出更簡便經濟的操作系統。