基于無線傳感網(wǎng)絡的水源井集中監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘要：針對礦區(qū)水源井存在分布廣泛、集中控制困難，且傳統(tǒng)有線監(jiān)控方式建設成本高、維護困難等缺點，設計并實現(xiàn)了基于無線傳感網(wǎng)絡的水源井集中監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32作為系統(tǒng)的核心控制器，構建基于LoRa的無線模塊傳感網(wǎng)絡，通過壓力變送器、流量變送器、電流采集模塊，實現(xiàn)對水泵運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)實時傳送到上位機軟件，通過軟件實現(xiàn)對水源井水泵的集中監(jiān)控。實踐表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，可實時獲取設備運行狀態(tài)、故障報警信息等，達到了良好的監(jiān)控效果。

關鍵詞：水源井;無線傳感網(wǎng)絡;LoRa;監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

煤炭是我國三大傳統(tǒng)能源之一，我國對煤炭能源的需求量不斷增多，對于煤礦的開采技術和硬件配置方面提出了更高的要求。煤礦礦區(qū)一般比較偏僻，生產(chǎn)和生活用水問題都需要礦區(qū)自己解決。根據(jù)礦區(qū)結構不同，各個生產(chǎn)、生活區(qū)域都會設置水源井，且相互之間距離較遠。傳統(tǒng)的煤礦水源井監(jiān)控主要采用工作人員定期巡檢、現(xiàn)場操作的方式，通過電話溝通進行現(xiàn)場調(diào)度，無法實時獲取現(xiàn)場水泵設備的運行狀態(tài)及故障信息，因此，現(xiàn)場設備的運行安全性、操作實時性得不到保證，無法實時統(tǒng)計和獲取生活、生產(chǎn)用水的相關數(shù)據(jù)，給企業(yè)生產(chǎn)和員工生活造成了重大影響。

針對上述問題，本文設計并實現(xiàn)了基于無線傳感網(wǎng)絡的水源井集中監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過LoRa構建無線傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程集中監(jiān)控，避免了傳統(tǒng)有線監(jiān)控方式帶來的高建設成本、高維護費用等問題，大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和監(jiān)控效率。

1 系統(tǒng)總體方案設計

整個系統(tǒng)下位機部分主要包括終端節(jié)點和匯聚節(jié)點兩個部分。其中，終端節(jié)點主要由STM32核心控制器、LoRa無線通信模塊、電流電壓數(shù)據(jù)獲取模塊、壓力數(shù)據(jù)獲取模塊、開關信號獲取模塊和電源模塊共同組成，負責獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)并將其轉發(fā)給匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點主要包含STM32核心控制器、LoRa無線通信模塊和電源模塊，負責轉發(fā)終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)與上位機的實時通信。整個系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1? ? LoRa無線通信模塊

LoRa模塊通過E32-TTL-100實現(xiàn)無線通信，該模塊基于高溫定性的SX1278射頻芯片，數(shù)據(jù)傳輸采用串口且透明傳輸?shù)姆绞?，同時可以兼容3.3 V和5 V的電壓。模塊的工作頻段介于410～441 MHz，并且默認是在434 MHz的情況下通信。該模塊采用了擴頻技術，使得傳輸距離可以達到8 km，完全可以滿足本系統(tǒng)水源井集中監(jiān)控的實際需要。該模塊在數(shù)據(jù)上采用了軟件的FEC前向糾錯算法，使其具有很強的主動糾錯能力，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2.2? ? 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊主要采集和獲取水源井水泵的出水壓力、開關量信號和電量信號等數(shù)據(jù)。

壓力變送器根據(jù)實際需要，選用1151系列高溫型壓力變送器，可對水泵出水壓力進行直接檢測，變送器輸出信號為4～20 mA的標準電流模擬信號，通過采樣、放大、濾波后傳給STM32的AD模塊I/O口。

開關量信號的采集主要通過不斷獲取繼電器的開關狀態(tài)實現(xiàn)，繼電器的開關狀態(tài)為數(shù)字量。

電量采集模塊主要通過現(xiàn)場裝設電流互感器、電壓互感器，并經(jīng)過濾波處理后獲得標準的AD輸入電壓，間接獲取水泵的實時運行電壓值和電流值。

2.3? ? 電源模塊

考慮到系統(tǒng)同時需要12 V、5 V和3.3 V的3路電源，其中核心控制器采用3.3 V電源供電，放大電路需要12 V電源供電，5 V電源采用USB直接提供，12 V電源供電通過TI公司的TPS54140線性差分穩(wěn)壓器實現(xiàn)，3.3 V電源由AMS1117穩(wěn)壓芯片提供。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1? ? 系統(tǒng)終端節(jié)點軟件設計

系統(tǒng)終端節(jié)點通過各類變送器及處理電路獲取實時數(shù)據(jù)，并通過LoRa節(jié)點傳輸至LoRa匯聚節(jié)點。系統(tǒng)運行時，STM32核心控制器首先完成傳感器和LoRa節(jié)點的初始化;然后通過LoRa匯聚節(jié)點實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡組件，選擇ClassA工作模式，并對上下行鏈路的相關信息進行設置，發(fā)送相應的入網(wǎng)請求;最后會對是否入網(wǎng)的狀態(tài)進行確認，若不成功，則會繼續(xù)組建網(wǎng)絡，直到網(wǎng)絡組建成功為止。

3.2? ? 系統(tǒng)匯聚節(jié)點軟件設計

LoRa匯聚節(jié)點流程圖如圖2所示。LoRa匯聚節(jié)點實時獲取LoRa終端節(jié)點上傳的各類實時監(jiān)測到的水泵運行相關數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送給上位機，上位機與服務器相連，數(shù)據(jù)實時在服務器進行備份。具體流程為：LoRa匯聚節(jié)點向服務器申請連接，并進入到保持等待狀態(tài);當服務器判斷為連接申請后，會向LoRa匯聚節(jié)點發(fā)送確認信號;當系統(tǒng)連接完成后，LoRa匯聚節(jié)點會將終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送至服務器。

4 結語

本文采用現(xiàn)代化的LoRa無線通信方式構建無線傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)對煤礦水源井的出水壓力、開關量信號和電量信號等數(shù)據(jù)的實時獲取和處理，消除了傳統(tǒng)有線傳輸方式存在的建設成本高、維護成本高、擴展困難等缺陷。該系統(tǒng)通過在山西某礦區(qū)的實際運行表明，其能夠?qū)λ淳M行實時監(jiān)測和控制，具有較強的應用和推廣價值。

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收稿日期：2020-06-22

作者簡介：底偉（1971—），男，河北新樂人，電氣工程師，研究方向：電氣控制。