CN105069958B - 基于电力线网络的煤矿火情检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电力线网络的煤矿火情检测系统，设置在地下煤矿处，包括摄像头、图像处理器、PLC发送设备、PLC接收设备和监控计算机，所述摄像头用于对采矿区域进行拍摄以获得采矿区域图像，所述图像处理器与所述摄像头连接以对所述采矿区域图像进行图像处理以获得采矿区域火情状况，所述PLC发送设备与所述图像处理器连接以将所述采矿区域火情状况通过电力线网络发送到所述PLC接收设备，所述监控计算机与所述PLC接收设备连接以接收所述采矿区域火情状况，并基于所述采矿区域火情状况确定煤矿火情报警策略。通过本发明，能够利用地下煤矿现有的电力网络进行采矿区域火情状况的高效传送。

Description

基于电力线网络的煤矿火情检测系统

本发明是申请号为201510303953.X、申请日为2015年6月6日、发明名称为“基于电力线网络的煤矿火情检测系统”的分案申请。

技术领域

本发明涉及电力线通信领域，尤其涉及一种基于电力线网络的煤矿火情检测系统。

背景技术

煤矿由于工作场所的特殊性，对于火情的监控要求更高，需要高精度的火情检测系统以满足监控需求，同时，由于煤矿一般处于地下，铺设专门的检测线路比较困难。

现有技术中，通常单独设置一套由检测设备和检测电子线路组成的检测系统，对火情监控要求高的设定区域进行实时监控，这种检测系统需要搭建新的一套检测电子线路，成本较高且占用空间，同时，现有技术中的监控数据精度不高。

为此，本发明提出了一种基于电力线网络的煤矿火情检测系统，能够利用煤矿现有的380伏AC电力线路进行火情检测数据的高效传输，同时采用高精度的检测处理方式，在降低系统成本的同时提高监控的效果。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种基于电力线网络的煤矿火情检测系统，利用地下煤矿上现有的380伏AC电力线路进行火情检测数据的传输，采用高精度的图像识别模式提高设定检测区域内火焰的识别准确度，从而提高火情检测的精度和速度，降低煤矿的管理费用，避免火情进一步扩大。

根据本发明的一方面，提供了一种基于电力线网络的煤矿火情检测系统，所述检测系统设置在地下煤矿处，包括摄像头、图像处理器、PLC发送设备、PLC接收设备和监控计算机，所述摄像头用于对采矿区域进行拍摄以获得采矿区域图像，所述图像处理器与所述摄像头连接以对所述采矿区域图像进行图像处理以获得采矿区域火情状况，所述PLC发送设备与所述图像处理器连接以将所述采矿区域火情状况通过电力线网络发送到所述PLC接收设备，所述监控计算机与所述PLC接收设备连接以接收所述采矿区域火情状况，并基于所述采矿区域火情状况确定煤矿火情报警策略。

更具体地，在所述基于电力线网络的煤矿火情检测系统中，还包括：380伏AC电力线路，用于组成所述电力线网络，为煤矿的各个开矿电力设备提供电力供应；USB接口，用于连接外部U盘设备，以接收外部U盘设备内存储的预设灰度阈值、预设像素数量阈值、预设面积阈值、火焰上限灰度阈值和火焰下限灰度阈值，所述火焰上限灰度阈值和所述火焰下限灰度阈值用于将图像中的火焰与背景分离；静态存储设备，与所述USB接口连接，用于接收并存储所述预设灰度阈值、所述预设像素数量阈值、所述预设面积阈值、所述火焰上限灰度阈值和所述火焰下限灰度阈值；所述摄像头包括CCD视觉传感器、镜头、滤光片、亮度传感器和辅助光源，所述滤光片设置在所述镜头前方，所述镜头设置在所述CCD视觉传感器前方，所述CCD视觉传感器对采矿区域进行图像数据采集以获得采矿区域图像，所述亮度传感器用于检测周围环境的环境亮度，所述辅助光源与所述亮度传感器连接，用于基于所述环境亮度为所述摄像头的拍摄提供辅助照明光，所述辅助照明光的强度与所述环境亮度成反比；所述图像处理器与所述静态存储设备和所述摄像头分别连接，用于对所述采矿区域图像进行图像处理，所述图像处理器包括对比度增强器、灰度化处理器、二值图像滤波器和火焰识别器，所述对比度增强器与所述摄像头连接以接收所述采矿区域图像并对所述采矿区域图像进行对比度增强处理，获得对比度增强图像，所述灰度化处理器与所述对比度增强器连接以对所述对比度增强图像执行灰度化处理，获得灰度图像，所述二值图像滤波器与所述灰度化处理器和所述静态存储设备分别连接以对所述灰度图像执行基于区域连通的二值图像滤波，获得滤波图像，所述火焰识别器与所述二值图像滤波器和所述静态存储设备分别连接，将所述滤波图像中灰度值在所述火焰上限灰度阈值和所述火焰下限灰度阈值之间的像素组合以获得火焰子图案；所述PLC发送设备包括基带滤波器、信号调制器、功率放大器、带通滤波器和载波耦合器，所述基带滤波器与所述图像处理器连接以接收火焰子图案并对火焰子图案执行基带滤波处理，获得基带滤波数据，所述基带滤波器与信号调制器、功率放大器和带通滤波器依次连接，以对基带滤波数据依次执行信号调制、功率放大和带通滤波处理，获得带通滤波数据作为上传图像，所述载波耦合器与所述带通滤波器和所述电力线网络分别连接，用于将上传图像耦合到所述电力线网络上；所述PLC接收设备包括信号分离器、信号放大器、带通滤波器和信号解调器，所述信号分离器与所述电力线网络连接，用于将上传图像从所述电力线网络上分离处理，与所述信号分离器依次连接所述信号放大器、所述带通滤波器和所述信号解调器，用于对上传图像依次执行信号放大、带通滤波和信号解调处理，以获得上传图像中的火焰子图案；所述监控计算机与所述PLC接收设备连接以接收所述火焰子图案，计算所述火焰子图案的面积，当所述火焰子图案的面积大于等于预设面积阈值时，发出火焰报警信号，所述监控计算机的显示设备显示与所述火焰报警信号对应的文字报警信息，当所述火焰子图案的面积小于预设面积阈值时，发出无火焰信号；其中，所述对所述灰度图像执行基于区域连通的二值图像滤波具体包括：将所述灰度图像中每一个像素作为被检测像素，采用3×3像素滤波窗口建立以所述被检测像素为中心的连通区域，计算所述连通区域中灰度值大于预设灰度阈值的像素个数，如果计算的像素个数大于等于预设像素数量阈值，则所述被检测像素为非噪声点，保留所述被检测像素，如果计算的像素个数小于预设像素数量阈值，则所述被检测像素为噪声点，对所述被检测像素进行滤除。

更具体地，在所述基于电力线网络的煤矿火情检测系统中：所述监控计算机在发出火焰报警信号时，所述监控计算机的语音播放设备播放与所述火焰报警信号对应的语音报警文件。

更具体地，在所述基于电力线网络的煤矿火情检测系统中：所述对比度增强器、所述灰度化处理器、所述二值图像滤波器和所述火焰识别器分别采用不同的FPGA芯片来实现，并集成在一块集成电路板上。

更具体地，在所述基于电力线网络的煤矿火情检测系统中：所述对比度增强器、所述灰度化处理器、所述二值图像滤波器和所述火焰识别器采用同一块FPGA芯片来实现。

更具体地，在所述基于电力线网络的煤矿火情检测系统中：所述静态存储设备为SDARM存储设备。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的基于电力线网络的煤矿火情检测系统的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的基于电力线网络的煤矿火情检测系统的实施方案进行详细说明。

煤矿由于工作场所的封闭性以及工作对象的可燃性，一旦发生火灾，很容易导致火情快速蔓延，因此，火情的快速、精确检测非常重要。现有技术中，一般需要另外搭建检测电子线路对煤矿火情监控区域进行火焰检测，系统构造复杂，人工成本和设备成本很高，且难以维护。

为了克服上述不足，本发明搭建了一种基于电力线网络的煤矿火情检测系统，将对设定监控区域的火焰检测集成到地下煤矿上现有的380伏AC电力线路中，从而不需要搭建新的检测电子线路即可完成监控功能。

图1为根据本发明实施方案示出的基于电力线网络的煤矿火情检测系统的结构方框图，所述检测系统设置在地下煤矿处，包括摄像头1、图像处理器2、PLC发送设备3、PLC接收设备4和监控计算机5，所述摄像头1用于对采矿区域进行拍摄以获得采矿区域图像，所述图像处理器2与所述摄像头1连接以对所述采矿区域图像进行图像处理以获得采矿区域火情状况，所述PLC发送设备3与所述图像处理器2连接以将所述采矿区域火情状况通过电力线网络发送到所述PLC接收设备4，所述监控计算机5与所述PLC接收设备4连接以接收所述采矿区域火情状况，并基于所述采矿区域火情状况确定煤矿火情报警策略。

接着，继续对本发明的基于电力线网络的煤矿火情检测系统的具体结构进行进一步的说明。

所述检测系统还包括：380伏AC电力线路，用于组成所述电力线网络，为煤矿的各个开矿电力设备提供电力供应。

所述检测系统还包括：USB接口，用于连接外部U盘设备，以接收外部U盘设备内存储的预设灰度阈值、预设像素数量阈值、预设面积阈值、火焰上限灰度阈值和火焰下限灰度阈值，所述火焰上限灰度阈值和所述火焰下限灰度阈值用于将图像中的火焰与背景分离。

所述检测系统还包括：静态存储设备，与所述USB接口连接，用于接收并存储所述预设灰度阈值、所述预设像素数量阈值、所述预设面积阈值、所述火焰上限灰度阈值和所述火焰下限灰度阈值。

所述摄像头1包括CCD视觉传感器、镜头、滤光片、亮度传感器和辅助光源，所述滤光片设置在所述镜头前方，所述镜头设置在所述CCD视觉传感器前方，所述CCD视觉传感器对采矿区域进行图像数据采集以获得采矿区域图像，所述亮度传感器用于检测周围环境的环境亮度，所述辅助光源与所述亮度传感器连接，用于基于所述环境亮度为所述摄像头的拍摄提供辅助照明光，所述辅助照明光的强度与所述环境亮度成反比。

所述图像处理器2与所述静态存储设备和所述摄像头1分别连接，用于对所述采矿区域图像进行图像处理，所述图像处理器2包括对比度增强器、灰度化处理器、二值图像滤波器和火焰识别器，所述对比度增强器与所述摄像头连接以接收所述采矿区域图像并对所述采矿区域图像进行对比度增强处理，获得对比度增强图像，所述灰度化处理器与所述对比度增强器连接以对所述对比度增强图像执行灰度化处理，获得灰度图像，所述二值图像滤波器与所述灰度化处理器和所述静态存储设备分别连接以对所述灰度图像执行基于区域连通的二值图像滤波，获得滤波图像，所述火焰识别器与所述二值图像滤波器和所述静态存储设备分别连接，将所述滤波图像中灰度值在所述火焰上限灰度阈值和所述火焰下限灰度阈值之间的像素组合以获得火焰子图案。

所述PLC发送设备3包括基带滤波器、信号调制器、功率放大器、带通滤波器和载波耦合器，所述基带滤波器与所述图像处理器连接以接收火焰子图案并对火焰子图案执行基带滤波处理，获得基带滤波数据，所述基带滤波器与信号调制器、功率放大器和带通滤波器依次连接，以对基带滤波数据依次执行信号调制、功率放大和带通滤波处理，获得带通滤波数据作为上传图像，所述载波耦合器与所述带通滤波器和所述电力线网络分别连接，用于将上传图像耦合到所述电力线网络上。

所述PLC接收设备4包括信号分离器、信号放大器、带通滤波器和信号解调器，所述信号分离器与所述电力线网络连接，用于将上传图像从所述电力线网络上分离处理，与所述信号分离器依次连接所述信号放大器、所述带通滤波器和所述信号解调器，用于对上传图像依次执行信号放大、带通滤波和信号解调处理，以获得上传图像中的火焰子图案。

所述监控计算机5与所述PLC接收设备4连接以接收所述火焰子图案，计算所述火焰子图案的面积，当所述火焰子图案的面积大于等于预设面积阈值时，发出火焰报警信号，所述监控计算机5的显示设备显示与所述火焰报警信号对应的文字报警信息，当所述火焰子图案的面积小于预设面积阈值时，发出无火焰信号。

其中，所述对所述灰度图像执行基于区域连通的二值图像滤波具体包括：将所述灰度图像中每一个像素作为被检测像素，采用3×3像素滤波窗口建立以所述被检测像素为中心的连通区域，计算所述连通区域中灰度值大于预设灰度阈值的像素个数，如果计算的像素个数大于等于预设像素数量阈值，则所述被检测像素为非噪声点，保留所述被检测像素，如果计算的像素个数小于预设像素数量阈值，则所述被检测像素为噪声点，对所述被检测像素进行滤除。

可选地，在所述检测系统中：所述监控计算机5在发出火焰报警信号时，所述监控计算机5的语音播放设备播放与所述火焰报警信号对应的语音报警文件；所述对比度增强器、所述灰度化处理器、所述二值图像滤波器和所述火焰识别器分别采用不同的FPGA芯片来实现，并集成在一块集成电路板上；可替换地，所述对比度增强器、所述灰度化处理器、所述二值图像滤波器和所述火焰识别器采用同一块FPGA芯片来实现；以及，所述静态存储设备为SDARM存储设备。

另外，FPGA(Field－ProgrammableGateArray)，即现场可编程门阵列，他是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。他是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip－flop)或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC(专用集成电路)的速度要慢，实现同样的功能比ASIC电路面积要大。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件)。FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并行运算为主，以硬件描述语言来实现；相比于PC或单片机(无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构)的顺序操作有很大区别。

早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器组成。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元，这样虽然让他可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。

采用本发明的基于电力线网络的煤矿火情检测系统，针对现有技术中地下煤矿火情监控区域的火焰检测系统性价比较低的技术问题，将地下煤矿现有的380伏AC电力线路用于监控数据的高效传送，同时引入高精度的图像采集和图像识别技术，提高了监控数据的精度，从而能够降低地下煤矿监控成本，而且能够及时发现火情以便于立即采取有效措施，保证地下煤矿采矿工作的正常进行。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种基于电力线网络的煤矿火情检测系统，所述检测系统设置在地下煤矿处，包括摄像头、图像处理器、PLC发送设备、PLC接收设备和监控计算机，所述摄像头用于对采矿区域进行拍摄以获得采矿区域图像，所述图像处理器与所述摄像头连接以对所述采矿区域图像进行图像处理以获得采矿区域火情状况，所述PLC发送设备与所述图像处理器连接以将所述采矿区域火情状况通过电力线网络发送到所述PLC接收设备，所述监控计算机与所述PLC接收设备连接以接收所述采矿区域火情状况，并基于所述采矿区域火情状况确定煤矿火情报警策略；

所述检测系统还包括：

380伏AC电力线路，用于组成所述电力线网络，为煤矿的各个开矿电力设备提供电力供应；

USB接口，用于连接外部U盘设备，以接收外部U盘设备内存储的预设灰度阈值、预设像素数量阈值、预设面积阈值、火焰上限灰度阈值和火焰下限灰度阈值，所述火焰上限灰度阈值和所述火焰下限灰度阈值用于将图像中的火焰与背景分离；

静态存储设备，与所述USB接口连接，用于接收并存储所述预设灰度阈值、所述预设像素数量阈值、所述预设面积阈值、所述火焰上限灰度阈值和所述火焰下限灰度阈值；

所述摄像头包括CCD视觉传感器、镜头、滤光片、亮度传感器和辅助光源，所述滤光片设置在所述镜头前方，所述镜头设置在所述CCD视觉传感器前方，所述CCD视觉传感器对采矿区域进行图像数据采集以获得采矿区域图像，所述亮度传感器用于检测周围环境的环境亮度，所述辅助光源与所述亮度传感器连接，用于基于所述环境亮度为所述摄像头的拍摄提供辅助照明光，所述辅助照明光的强度与所述环境亮度成反比；

所述图像处理器与所述静态存储设备和所述摄像头分别连接，用于对所述采矿区域图像进行图像处理，所述图像处理器包括对比度增强器、灰度化处理器、二值图像滤波器和火焰识别器，所述对比度增强器与所述摄像头连接以接收所述采矿区域图像并对所述采矿区域图像进行对比度增强处理，获得对比度增强图像，所述灰度化处理器与所述对比度增强器连接以对所述对比度增强图像执行灰度化处理，获得灰度图像，所述二值图像滤波器与所述灰度化处理器和所述静态存储设备分别连接以对所述灰度图像执行基于区域连通的二值图像滤波，获得滤波图像，所述火焰识别器与所述二值图像滤波器和所述静态存储设备分别连接，将所述滤波图像中灰度值在所述火焰上限灰度阈值和所述火焰下限灰度阈值之间的像素组合以获得火焰子图案；

所述PLC发送设备包括基带滤波器、信号调制器、功率放大器、带通滤波器和载波耦合器，所述基带滤波器与所述图像处理器连接以接收火焰子图案并对火焰子图案执行基带滤波处理，获得基带滤波数据，所述基带滤波器与信号调制器、功率放大器和带通滤波器依次连接，以对基带滤波数据依次执行信号调制、功率放大和带通滤波处理，获得带通滤波数据作为上传图像，所述载波耦合器与所述带通滤波器和所述电力线网络分别连接，用于将上传图像耦合到所述电力线网络上；

所述PLC接收设备包括信号分离器、信号放大器、带通滤波器和信号解调器，所述信号分离器与所述电力线网络连接，用于将上传图像从所述电力线网络上分离处理，与所述信号分离器依次连接的所述信号放大器、所述带通滤波器和所述信号解调器，用于对上传图像依次执行信号放大、带通滤波和信号解调处理，以获得上传图像中的火焰子图案；

所述监控计算机与所述PLC接收设备连接以接收所述火焰子图案，计算所述火焰子图案的面积，当所述火焰子图案的面积大于等于预设面积阈值时，发出火焰报警信号，所述监控计算机的显示设备显示与所述火焰报警信号对应的文字报警信息，当所述火焰子图案的面积小于预设面积阈值时，发出无火焰信号；

其中，所述对所述灰度图像执行基于区域连通的二值图像滤波具体包括：将所述灰度图像中每一个像素作为被检测像素，采用3×3像素滤波窗口建立以所述被检测像素为中心的连通区域，计算所述连通区域中灰度值大于预设灰度阈值的像素个数，如果计算的像素个数大于等于预设像素数量阈值，则所述被检测像素为非噪声点，保留所述被检测像素，如果计算的像素个数小于预设像素数量阈值，则所述被检测像素为噪声点，对所述被检测像素进行滤除，

所述监控计算机在发出火焰报警信号时，所述监控计算机的语音播放设备播放与所述火焰报警信号对应的语音报警文件，

所述对比度增强器、所述灰度化处理器、所述二值图像滤波器和所述火焰识别器分别采用不同的FPGA芯片来实现，并集成在一块集成电路板上。