基于LoRa技術(shù)的礦井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究

韓團軍 尹繼武 趙增群 王楷

摘 ?要： 為了解決傳統(tǒng)礦井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)復(fù)雜、傳輸距離短和高功耗等問題，提出一種基于LoRa技術(shù)的礦井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用LoRa無線通信技術(shù)組建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，包含監(jiān)測節(jié)點和匯總節(jié)點。監(jiān)測節(jié)點可以實現(xiàn)多點、多種環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測，匯總節(jié)點接收所有監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)打包處理后經(jīng)GPRS模塊上傳至服務(wù)器。利用C#語言開發(fā)的上位機可以實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的保存以及實時顯示。經(jīng)測試，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確監(jiān)測礦井環(huán)境數(shù)據(jù)，運行穩(wěn)定可靠，可以滿足礦井環(huán)境監(jiān)測的需求。

關(guān)鍵詞： 礦井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測; LoRa技術(shù); 數(shù)據(jù)傳輸; 環(huán)境監(jiān)測; 數(shù)據(jù)保存; 系統(tǒng)測試

中圖分類號： TN709?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）20?0160?04

Design and research of mine data monitoring system based on LoRa technology

HAN Tuanjun， YIN Jiwu， ZHAO Zengqun， WANG Kai

（Department of Physics & Telecommunications Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， China）

Abstract： A mine data monitoring system based on LoRa technology is proposed to solve the problems of complex networking， short transmission distance and high power dissipation. The LoRa wireless communication technology is used in the system to build data transmission network， including monitoring nodes and gather nodes. The monitoring nodes can be used to monitor multipoint and multiple environmental data. The gather nodes can be used to receive data from all the monitoring nodes， and the data is packaged and uploaded to the server by GPRS module. The upper computer developed by C# language can save and display the monitoring data in real time. The test results show that the system can accurately monitor the mine environment data in real time， runs stably and reliably， and can meet the needs of mine environment monitoring.

Keywords： mine data monitoring; LoRa technology; data transmission; environment nomitoring; data storage; system testing

煤炭是我國主要的戰(zhàn)略資源，在國家經(jīng)濟建設(shè)中的地位十分重要，然而在煤炭的生產(chǎn)過程中受煤礦煤層條件、礦井的環(huán)境條件、生產(chǎn)技術(shù)裝備條件的限制，使得煤礦井下作業(yè)一直存在著諸多安全隱患，嚴(yán)重影響煤炭生產(chǎn)者的安全，如何有效監(jiān)控井下安全已成為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，已有煤礦裝備了無線式數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，但現(xiàn)有的無線傳輸方式監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)和協(xié)議比較復(fù)雜，系統(tǒng)存在著傳輸距離短、功耗高和抗干擾差等缺點[1?4]。

本文提出一種基于LoRa技術(shù)的礦井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，利用LoRa無線通信技術(shù)組建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，包含監(jiān)測節(jié)點和匯總節(jié)點。監(jiān)測節(jié)點可以實現(xiàn)多點、多種環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測，匯總節(jié)點接收所有監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)打包處理后經(jīng)GPRS模塊上傳至服務(wù)器。利用C#語言開發(fā)的上位機可以實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的保存以及實時顯示。整個系統(tǒng)設(shè)計和組網(wǎng)簡單，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確顯示環(huán)境檢測數(shù)據(jù)，運行穩(wěn)定可靠，可以滿足礦井安全生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測和有效管理的要求。

1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個系統(tǒng)可以分為監(jiān)測節(jié)點和匯總節(jié)點兩部分，監(jiān)測節(jié)點由STM32控制器、多傳感器和LoRa組成，STM32驅(qū)動各傳感器采集數(shù)據(jù)并通過LoRa模塊發(fā)送給匯總節(jié)點。匯總節(jié)點由STM32控制器、LoRa模塊和GPRS模塊組成，STM32控制器將LoRa模塊接收到的數(shù)據(jù)打包處理后通過串口通信傳輸給GPRS模塊，GPRS模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，服務(wù)器端上位機軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行解包、顯示和保存。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?礦井監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)可以按照對信號的處理劃分為三部分，分別是監(jiān)測節(jié)點、匯總節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點。監(jiān)測節(jié)點包括處理器模塊、LoRa無線通信模塊、溫濕度傳感器模塊、氣體傳感器模塊、風(fēng)速傳感器模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K以及電源模塊，監(jiān)測節(jié)點負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并通過LoRa模塊發(fā)送給匯總節(jié)點，匯總節(jié)點包括處理器模塊、LoRa無線通信模塊、TTL/RS 485模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)打包后傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點包括STM32處理器、TTL/RS 485模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上傳。整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

圖2 ?系統(tǒng)硬件框圖

2.1 ?電源模塊電路設(shè)計

電源供電需要5 V和3.3 V兩路電源?？刂破鞑捎?.3 V供電，整個系統(tǒng)供電為5 V，為了保證電源設(shè)計輸出穩(wěn)定，采用AMS1117穩(wěn)壓芯片設(shè)計。該芯片設(shè)計外圍電路簡單，輸出精度高，同時紋波較小[5?6]。供電電路如圖3所示。

2.2 ?氣體傳感器電路設(shè)計

MQ?5型氣體傳感器電路設(shè)計十分簡單，在電路中需要對傳感器添加加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC），可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電壓值輸出。DOUT為TTL信號輸出端，AOUT則是模擬電壓的輸出端。當(dāng)待測氣體的濃度達(dá)到閾值時，則會輸出高電平，電位器R8可以改變閾值的大小。模擬量電壓輸出值與氣體的濃度呈線性關(guān)系，電壓越高則濃度越高。電路圖圖4。

圖3 ?電源電路

圖4 ?氣體傳感器電路

2.3 ?GPRS模塊電路設(shè)計

GPRS模塊電路由SIM900芯片、SIM卡電路、天線電路以及啟動電路組成。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)軟件主要包括監(jiān)測節(jié)點軟件設(shè)計、匯總節(jié)點軟件設(shè)計和上位機軟件設(shè)計。

3.1 ?監(jiān)測節(jié)點軟件設(shè)計

檢測節(jié)點由STM32微控制器、多傳感器、LoRa模塊組成，SHT30和STM32之間通過I2C總線通信，MQ?5和風(fēng)速傳感器的數(shù)據(jù)通過STM32內(nèi)部ADC模塊讀取，火焰?zhèn)鞲衅鞯奈迓窋?shù)據(jù)直接由I/O口讀取，LoRa模塊和STM32控制器之間通過串口通信，程序流程圖見圖5。

3.2 ?匯總節(jié)點軟件設(shè)計

匯總節(jié)點由STM32微控制器、LoRa模塊和TTL/RS 485模塊組成，其主要功能是接收所有監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后將所有數(shù)據(jù)打包處理，經(jīng)RS 485總線發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。LoRa模塊和TTL/RS 485模塊都是通過串口和STM32通信，所以在匯總節(jié)點部分需要用到STM32內(nèi)部的USART模塊。

圖5 ?監(jiān)測節(jié)點程序框圖

STM32和LoRa模塊之間使用USART1，STM32和TTL/RS 485模塊之間使用USART2。USART1采用中斷方式采集數(shù)據(jù)，一旦有數(shù)據(jù)傳入則會觸發(fā)中斷，串口每中斷一次發(fā)送一個8位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會保存在緩沖寄存器中，在串口中斷處理函數(shù)中將緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)保存到一個數(shù)組中，接收完一幀數(shù)據(jù)關(guān)閉串口1中斷，使用串口2發(fā)送數(shù)據(jù)。為了區(qū)分不同節(jié)點的數(shù)據(jù)，程序規(guī)定每個監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為：節(jié)點號+數(shù)據(jù)+結(jié)束標(biāo)志符。所以在匯總節(jié)點要對不同節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，如果接收到的是數(shù)據(jù)節(jié)點號，則表示要開始一幀數(shù)據(jù)的接收，此時將數(shù)據(jù)接收標(biāo)志位置1;如果接收到的是結(jié)束標(biāo)志符，則表示一幀數(shù)據(jù)的接收已結(jié)束，此時將數(shù)據(jù)接收標(biāo)志位置0，將數(shù)據(jù)接收完成標(biāo)志位置1。主程序中判斷到數(shù)據(jù)接收完成標(biāo)志位置1后會禁止串口1中斷，此時轉(zhuǎn)入串口2發(fā)送，利用串口2發(fā)送函數(shù)將數(shù)組中的數(shù)據(jù)發(fā)給TTL/RS 485模塊，然后經(jīng)由RS 485總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)模塊。其程序流程圖如圖6所示。

3.3 ?上位機軟件設(shè)計

上位機和服務(wù)器之間基于TCP協(xié)議通信[7?11]。TCP協(xié)議進(jìn)行信息的傳輸和獲取時都是經(jīng)一個端口進(jìn)行通信的。低于1 024的端口是公共端口，由IANA分配，1 024～65 535是沒有公共定義的端口，用戶可以自己定義這些端口。上位機軟件利用Visual Studio開發(fā)平臺完成，通過C# .NET的窗體應(yīng)用程序開發(fā)中若干類庫設(shè)計出的一個軟件整體。本系統(tǒng)上位機軟件主要由三部分組成：軟件參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)接收及顯示模塊、數(shù)據(jù)處理及繪圖模塊。詳細(xì)模塊功能如圖7所示。

圖6 ?匯總節(jié)點程序框圖

圖7 ?上位機功能模塊圖

4 ?系統(tǒng)測試及分析

4.1 ?系統(tǒng)測試終端

系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計完成后，為了驗證系統(tǒng)的可行性，搭建了一個實驗測試平臺。為了簡化測試條件，整個測試平臺包括2個監(jiān)測節(jié)點、匯總節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點以及阿里云服務(wù)器。監(jiān)測節(jié)點搭載溫濕度傳感器、氣體傳感器、風(fēng)速傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?，匯總節(jié)點經(jīng)RS 485總線和網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接。

4.2 ?監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

測試中設(shè)計了兩個監(jiān)測點設(shè)置在礦井采煤工作區(qū)，測試過程主要是驗證本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，LoRa通信方式能否滿足井下通信需求，能否實現(xiàn)準(zhǔn)確可靠地顯示環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過驗證，整個系統(tǒng)能正常工作，通過服務(wù)器可以讀出礦井環(huán)境中的溫濕度、瓦斯?jié)舛茸兓约巴ǖ览锏娘L(fēng)速值。

5 ?結(jié) ?語

本文采用LoRa技術(shù)設(shè)計了一種無線礦井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了礦井環(huán)境數(shù)據(jù)信息的實時監(jiān)測，通過對系統(tǒng)的實地調(diào)試，證明該系統(tǒng)能夠精確測量礦井環(huán)境參數(shù)，可以被廣泛應(yīng)用于煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)設(shè)計靈活、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、傳輸距離遠(yuǎn)而且功耗極低。同時該系統(tǒng)具有良好的準(zhǔn)確性，可以被廣泛推廣。

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