唐女智 韓聰 羅冬艷 周遠芳 王昆鵬

摘要：傳統(tǒng)的井下監(jiān)測系統(tǒng)主要采用信號的有線傳輸方式，限制了系統(tǒng)的可移動性，設備安裝不夠靈活，定位精度低，難以滿足現(xiàn)在井下安全監(jiān)測實時準確的要求。隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術的發(fā)展，并在眾多領域取得廣泛的應用，這一技術也很快應用于地下礦井中。本文采用無線傳輸lora技術來對數(shù)據(jù)進行傳輸，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法建立預測模型，來對礦井內環(huán)境進行一個監(jiān)測，并對事故進行一個提前預警，保證礦井工作人員的安全。

關鍵詞：BP神經(jīng)網(wǎng)絡;LoRa技術;礦井監(jiān)測預警系統(tǒng)

隨著電子技術、通訊技術、控制技術、計算機技術、CRT顯示技術以及軟件技術的迅速發(fā)展，計算機技術在煤炭工業(yè)領域得到迅速發(fā)展。利用計算機進行實時檢測是煤炭生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。對工作現(xiàn)場和工作過程進行檢測和控制，將現(xiàn)場運行監(jiān)督，數(shù)據(jù)的實時采集、事故處理、常事務管理等工作交給計算機完成礦井監(jiān)測系統(tǒng)其主要功能是能夠及時、準確地反映各類所需要的監(jiān)測信息，從而滿足諸如環(huán)境安全、膠帶運輸、軌道運輸、供電系統(tǒng)對瓦斯、風速、一氧化碳、溫度、負壓等環(huán)境參數(shù)以及設備的開停、風門開閉、風筒風量不同檢測對象的要求，以實現(xiàn)在煤炭生產(chǎn)中對全礦井的綜合監(jiān)測。從2O世紀80年代開始，我國在近300個國有重點煤礦安裝了礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，這些設備在一定程度上改變了我國煤礦生產(chǎn)狀況。近年來，隨著國有重點煤礦采深加大，自然災害的威脅也日益突出，特別是瓦斯煤塵爆炸事故，煤與瓦斯突發(fā)事故和火災事故又呈上升趨勢，據(jù)資料統(tǒng)計多半事故就發(fā)生在裝有環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的煤礦中。

一、Lora技術介紹

LoRa是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進而擴展傳感網(wǎng)絡。LoRa是LPWAN中發(fā)展比較快，相對比較成熟的技術。我國的中興通訊與東方測控、唯傳科技、創(chuàng)高安防等近20家企業(yè)發(fā)起建立了中國LoRa應用聯(lián)盟。

LoRa網(wǎng)絡主要由終端（可內置LoRa模塊）、網(wǎng)關（或稱基站）、Server和云四部分組成。應用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

二、BP神經(jīng)算法介紹

誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡簡稱為BP網(wǎng)絡，它是一種具有三層或三層以上的多層神經(jīng)網(wǎng)絡，每一層都由若干個神經(jīng)元組成。如圖所示為一個BP神經(jīng)網(wǎng)絡的結構圖，它的左、右各層之間各個神經(jīng)元實現(xiàn)全連接，即左層的每一個神經(jīng)元與右層的每個神經(jīng)元都有連接，而上下各神經(jīng)元之間無連接。BP神經(jīng)網(wǎng)絡按有監(jiān)督學習方式進行訓練，當一對學習模式提供給網(wǎng)絡后，其神經(jīng)元的激活值將從輸入層經(jīng)各隱含層向輸出層傳播，在輸出層的各神經(jīng)元輸出對應于輸入模式的網(wǎng)絡響應。然后，按減少希望輸出與實際輸出誤差的原則，從輸出層經(jīng)各隱含層、最后回到輸人層逐層修正各連接權。由于這種修正過程是從輸出到輸入逐層進行的，所以稱它為“誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ā薄?/p>

三、系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)是基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡和Lora模塊搭建礦井監(jiān)測的軟硬件平臺，通過51單片機進行控制，利用協(xié)議實現(xiàn)傳感器節(jié)點的Lora自組網(wǎng)通信，通過路由器節(jié)點匯聚傳感器節(jié)點的測量參數(shù)并進行轉發(fā)，最終傳輸至監(jiān)測中心實現(xiàn)礦井監(jiān)測，同時平臺將實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息輸入給神經(jīng)網(wǎng)絡模型去處理，對礦井可能發(fā)生的危險進行預警。

系統(tǒng)的設計由上位機和下位機構成，上位機與下位機之間采用MQTT協(xié)議進行通訊，下位機由環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點和數(shù)據(jù)集中器構成，負責環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測匯集與上傳。監(jiān)測節(jié)點根據(jù)實際需求具備不同的環(huán)境監(jiān)測能力，分別適用于礦井不同區(qū)域，可監(jiān)測溫濕度、PM2.5、有害氣體等指標以及火災、漏水等異常災害遙，監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測相應環(huán)境數(shù)值后對數(shù)值進行處理與組裝并按照固有協(xié)議格式通過LoRa無線通訊模塊將其數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)集中器遙數(shù)據(jù)集中器對各環(huán)境監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)進行集中與處理后依靠Wi-Fi和路由器進行上傳。通過溫濕度傳感器、壓力傳感器、粉塵傳感器、瓦斯氣體模組可實時監(jiān)測相關數(shù)據(jù)。當濕度傳感器、壓力傳感器和粉塵傳感器超過設定的安全范圍的閾值，平臺發(fā)出報警，即可有效的避免冒頂危險、水災危險和煤塵爆炸危險的發(fā)生。對上傳到云端的數(shù)據(jù)進行BP算法預測模型的建模，采用神經(jīng)網(wǎng)絡訓練方法分析系統(tǒng)的安全狀態(tài)，對于預防和減少礦井安全事故將起著非常積極的作用。預測礦井內可能發(fā)生的危險，并發(fā)出報警聲，提醒礦井工人做好逃離準備，減少事故發(fā)生率，降低死亡率。同時，在遠程監(jiān)控中心電腦和手機APP都可以實時看到礦井各個區(qū)域的情況。

四、硬件設計

為了能夠更好地適應實際場景的需求，同時又兼顧系統(tǒng)開發(fā)成本，硬件設計采用組采集節(jié)點和1 個匯聚節(jié)點來共同完成礦井環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡的構建。為了降低系統(tǒng)功耗，采集節(jié)點之間不進行相互通信，每個采集節(jié)點與匯聚節(jié)點通過LoRa無線通信模塊完成數(shù)據(jù)和指令的傳輸，通信網(wǎng)絡采用星型網(wǎng)絡拓撲結構。

五、軟件設計

開發(fā)的手機APP界面如下圖所示，其能夠實時監(jiān)測礦井內環(huán)境情況，由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型，在APP端可以顯示可能會發(fā)生的事故，提前做出預測和警告?？捎^性很強。

參考文獻：

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作者簡介：

唐女智（1999—），女，侗族，湖南懷化，本科，研究方向：信息與通信。韓聰（1999—），男，漢族，浙江紹興，本科，研究方向：材料成型及控制。

羅冬艷（1998—），女，漢族，湖南懷化，本科，研究方向：醫(yī)學信息工程。

周遠芳（1997—），女，漢族，重慶，本科，研究方向：人力資源管理。

王昆鵬（1999—），男，滿族，內蒙古興安盟，本科，研究方向：材料成型及控制。