煤矿区生态塌陷风险远程监测与实时报警系统设计

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　　摘  要： 传统系统采用定点式有线监控，受限于传输线路影响，导致煤矿区生态塌陷风险监测效率较低，为了避免人们生命安全受到威胁，设计远程监测与实时报警系统。在协同环境下分析不同层次关系，设计总体结构，为系统报警提供正确决策支持。采用TQ2440开发板设计的LCD液晶显示接口电路具有25针2.0 mm和20针0.5 mm两种接口，能够接各种单色和彩色液晶屏。采用TLP521?3型号芯片作为信息采集器的主要芯片，可通过按钮连接信息通道，为监测装置提供数据。采用SIM900A型号的监测装置可通过UART端口发送监测指令，使用敏感重力加速度计求解地势信息，获取塌陷风险最大值，根据监控风险报警实施流程完成系统设计。由实验对比结果可知，该系统风险报警预测与实际报警误差保持在-0.01～0.03范围内，具有精准监测与报警效果，为煤矿区人们生命安全提供保障。
　　关键词： 煤矿区生态; 塌陷风险; 远程监测; 实时报警; 协同环境; 实时数据库
　　中图分类号： TN911?34; TP368                     文献标识码： A                    文章编号： 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
　　在煤矿区生态开采过程中，如果工作人员有操作不当行为，那么煤矿开采区域的岩体原有应力就会受到破坏，导致应力不平衡[1]。虽然应力经过重新组合后具有了新的平衡，但是在整个组合过程中地表出现了变形，经过非连续性的破坏，煤矿生态开采区域出现了塌陷。煤矿塌陷具有五种形式，分别是非积水干旱塌陷、沼泽塌陷、季节性给水煤矿塌陷、常年性浅积水塌陷以及常年深给水塌陷[2]。煤矿塌陷现象不仅会对地区土壤造成不利影响，也会加剧当地干旱问题，水资源受到破坏，加重生态环境恶化。为了保障煤矿区的可持续发展，对塌陷风险进行远程监测与报警成为摆在各级政府面前的主要难题[3]。传统系统虽然功能强大，但系统结构复杂，采用的都是定点式有线监控，受限于传输线路影响，远程监测效率较低，实用性较差，为此，以硬件 Raspberry Pi为应用开发平台，依托motion应用，设计了基于实时数据库的远程监测与实时报警系统。利用系统实时数据引擎，实现历史数据断点自动补充，保证数据监测完整性，进而提高监测效率，为系统实时报警提供数据支持。 　　1  系统整体架构设计
　　在协同环境下研发系统能够提升资源利用效率，打破传统系统封闭的信息孤岛，实现煤矿区生态塌陷风险数据的统一管理、自动归档，保障信息资源的远程通信[4]。依托该环境，分析表1所示的层次关系。
　　通过基础层可支持系统正常运行，该过程需在协同环境下进行，资源层所存在的数据资源为资源服务中心提供数据支撑[5]。表现层负责为前台界面提供窗口，使集成到门户中统一展现，按照国家相关安全等级，建立安全体系，保证数据传输、应用程序和用户访问安全[6]。
　　系统总体结构设计如图1所示。
　　由图1可知：煤矿区生态塌陷风险远程监测与实时报警系统采用标准整合现场监测信息，实现数据采集、处理与分析等功能，依据这些信息可为系统报警提供正确决策支持[7]。
　　2  硬件结构
　　硬件结构主要通过嵌入式终端进行风险信息采集，并监测采集到的数据是否需要报警提示。当目标需要报警提示时，通过与终端连接的设备进行报警信息播放，同时用户可通过网络服务器进行远程实时监控[8?10]。系统硬件结构设计如图2所示。
　　硬件平台采用某公司生产的开发板来实现，选择型号为S3C2440，核心板主频为400 MHz，同步动态随机存储器运行系统功能，通过USB接口实现摄像头与无线网卡的连接[11]。
　　2.1  LCD液晶显示接口电路
　　采用TQ2440开发板设计的LCD液晶显示接口电路如图3所示。
　　由图3可知，液晶屏具有两种接口方式，分别是25针2.0 mm和20针0.5 mm，该接口设置能够接各种单色和彩色液晶屏，为监测和报警结果提供显示界面[12]。
　　2.2  风险信息采集器
　　风险信息采集器主要安装在智能终端，并存储到数据库之中，由于煤矿区生态塌陷风险远程信息采集需要的数据是真实的，因此，需要准确判断监测风险，并实时对数据进行处理。
　　基于实时数据库的煤矿区生态塌陷风险监测与报警系统离不开风险信息采集电路，如图4所示。
　　由图4可知，采用TLP521?3型号芯片作为信息采集器的主要芯片，可将按钮BUTTON1连接到信息通道1之中，按钮BUTTON2，BUTTON3，BUTTON4分别连接到信息通道2，3，4上，为系统远程监测提供数据[13]。
　　2.3  监测装置
　　随着无线通信技术的发展，监测装置成为远程监控系统的主要装置，为了保证数据传输的即时性，充分利用网络覆盖区域广的优势，设计如图5所示的监测装置。
　　由图5可知，采用SIM900A型号的监测装置模块具有双频功能，在该模块内部集成了TCP协议栈，通过Raspberry Pi的UART端口发送监测指令，将接收到的原始数据转换为数据包形式进行传送。
　　采用某公司生产的开发板设计硬件结构，核心板主频为400 MHz，使用TQ2440的开发板设计的LCD液晶显示接口电路，为监测和报警结果提供显示界面。安装在智能终端的风险信息采集器可通过TLP521?3型号芯片的信息采集器采集准确数据，为监测风险判断提供依据。采用SIM900A型号的监测装置可通过UART端口发送监测指令，经过软件功能设计实现系统报警。
　　3  软件功能
　　由于所设计的远程监控与报警系统是在实时数据库下对数据进行刷新与处理的，这要求软件必须具有较强的时限功能。实時数据库是以内存数据库为底层支持，使整个数据库能够分为两个部分，分别是内存数据库和关系数据库，通过存储一定数据，对无用数据进行清除，利用实时数据库对历史数据进行管理。
　　采用命令“sudo apt?get install motion”安装监测和报警软件，使用文本编辑工具打开文件，并对配置文件进行适当修改。当监测器发现视频中的某个区域变化超过阈值时，就会捕捉该画面，并对其进行适当放大处理，并改变动作捕捉敏感度。
　　具体软件工作流程如下所示：
　　1） 创建管理线程。
　　2） 探测监测设备。
　　3） 查看是否探测到视频设备，如果否，则需返回到步骤2）;如果是，则需进行步骤4）。
　　4） 读取并设置监测设备的一些参数。
　　5） 创建信息采集线程。
　　6） 打开Socket并等待客户端连接。
　　7） 查看连接是否成功，如果失败，则返回到步骤6）;如果成功，则需创建线程服务，并向客户端传输数据。
　　当开启监测设备时，设备会以一定帧速拍摄监控内容，当监测到的内容中含有固定大小像素变化时，则可说明在该范围内有坍塌风险，将触发一个事件。记录事件发生的时间，并存储到/home/pi/motion/tmp/videotime实时数据库之中。一旦发现有坍塌风险时，在连续5 s内监测到的画面像素变化值都小于设定的阈值，那么将触发第二个事件，通过该事件能够找到相关文件信息，方便系统报警方案的实施。
　　使用加速度计敏感重力加速度求解地势信息，基本原理如图6所示。
　　由图6可知，[g]表示地球表面垂直方向重力加速度;[α]表示敏感地势方向的加速度与重力加速度夹角，由此计算地势信息关系为：
　　[S=-g?cos α]
　　式中，夹角[α]越大，加速度计探测值就越小，监测设备出现倾斜，则说明煤矿区生态有较大塌陷风险。
　　根据上述内容，可实现监控风险报警，具体实现流程如图7所示。
　　依据图7所示流程对程序进行初始化处理，使每个程序都具有读取实时数据功能，实现对煤矿区生态塌陷风险远程实时预警。
　　4  实  验 　　采用数字信号处理器的监控视频处理芯片对视频进行压缩处理，以此作为实验分析的样本，对基于实时数据库的煤矿区生态塌陷风险远程监测与实时报警系统设计合理性进行验证。
　　4.1  实验参数与环境设置
　　布置网络传感节点对数据进行采集，由于网络中的节点都是静态的，因此对于节点能量获取是有限的。如果出现节点能量消耗殆尽的情况，那么传感节点将不再采集数据。因此，固定传感节点，保证每个节点都有唯一ID属性，方便实验后续观察。在该实验环境下对实验参数进行设置，如表2所示。
　　使用较大的CPU内存能够保证实验数据的大量存储，为实验分析提供数据存储空间。
　　4.2  实验数据分析
　　受到信号干扰，监测与实时报警系统在数据传输过程中就会受到影响，导致监测结果出现一定偏差，在协同环境下，收集10 min的全部信息，如表3所示。
　　根据表3收集的全部数据，对实验结果展开分析。
　　4.3  实验结果与分析
　　传统系统是有线连接，而基于实时数据库系统是无线连接，不会受到传输距离的影响，具有良好的监测和报警效果，而传统系统缺少调控一体化报警功能，导致报警效果较差，为了验证该点进行实验验证分析。
　　实际风险数据远程监测结果如表4所示。
　　由表4可知，将时间控制在80 s内对5个位置点进行风险数据远程监测，通过监测结果可知，需要报警的位置点分别为1，2，3，4;与此相对应的监测时间为20 s，60 s。
　　根据上述内容，分别采用传统系统与基于实时数据库系统对其中3个监测点的预测值进行对比，并分析实时数据系统预测误差，结果如图8所示。
　　由图8可知：采用传统系统与实际值偏差较大，而基于实时数据库的系统与实际值曲线大致吻合，即使出现误差，但误差保持在-0.01～0.03范围内，说明该系统监测与报警效果较好，也由此验证了基于实时数据库的煤矿区生态塌陷风险远程监测与实时报警系统设计具有合理性。
　　5  结  语
　　根据煤矿区生态塌陷环境的概述，明确系统监控要求，针对具体监控位置，设计了详细解决实施方案，形成了整体系统报警工作原理。采用数据库设计的系统具有数据完整和正确性，支持扩展应用，保证管理层快速、准确地获取数据，提高报警科学性。该系统的监控方式与传统系统相比，增强了监控的自由性，减小了对客户端程序的依赖，实现了多客户端同时访问。
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　　图8  两种系统监测与报警情况对比分析
　　参考文献
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　　作者简介：吴伟力（1979—），男，山东青岛人，博士研究生，副教授，研究方向为统计学。
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