基于LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

魏璁琪　雷妍

摘要：礦井環(huán)境安全與否直接關(guān)系到井下從業(yè)人員的生命，為保障煤礦開采相關(guān)從業(yè)人員的安全，提出了基于LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，并充分利用LoRa無線通信協(xié)議的傳輸距離遠、多節(jié)點、易組網(wǎng)、低功耗的優(yōu)勢及STM32微處理器的多外設(shè)接口及高性能特點，結(jié)合嵌入式技術(shù)、Web技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及長距離無線通信技術(shù)完成煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)測試結(jié)果驗證了該系統(tǒng)設(shè)計可滿足礦井下環(huán)境安全監(jiān)測及警報功能。

關(guān)鍵詞：LoRa；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；安全監(jiān)測

中圖分類號：TN929.5;TP273? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）34-0077-04

1 引言

我國工業(yè)生產(chǎn)、居民生活的主要能源物質(zhì)均為煤炭，尤其在一次性能源中煤炭使用量占比例已超過70%。我國煤田遍布存在于北方地區(qū)，但各煤層的存儲條件和地質(zhì)情況差異很大，許多煤礦井下自然環(huán)境惡劣，受到雨水、高溫、粉塵、瓦斯、頂板等自然災(zāi)害的威脅。據(jù)國家能源局2021年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國大型煤礦開采場所有3800多處，其中中高瓦斯礦井占四成以上，并且約91%的開采井下環(huán)境有煤塵爆炸危險，僅2021年全國礦井事故有 91起，1000余人受傷，178人遇難，因此對煤礦井下作業(yè)環(huán)境進行安全監(jiān)測十分重要[1]。

傳統(tǒng)的有線傳輸方式在煤礦井下這種特殊環(huán)境中，系統(tǒng)布線多、功耗大，施工復(fù)雜，實現(xiàn)起來非常困難[2]。若使用傳感器及無線傳感網(wǎng)絡(luò)就可以很好地解決這一問題，利用一套完整的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對井下環(huán)境進行實時監(jiān)測及預(yù)警非常必要。本系統(tǒng)設(shè)計結(jié)合嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)及傳感器技術(shù)，設(shè)計了一套能滿足數(shù)據(jù)遠程共享顯示同時又能兼顧節(jié)能環(huán)保、直觀可視、性能穩(wěn)定等的礦下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計可以既能滿足對礦井現(xiàn)場環(huán)境的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、報警需求，同時具有安裝方便、待機時間長、提示效率高及性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

總體方案設(shè)計由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層四個部分構(gòu)成[3]，其中感知層由多種采集類傳感器模塊組成，網(wǎng)絡(luò)層由無線通信設(shè)備及網(wǎng)關(guān)組成，平臺層由上位機及數(shù)據(jù)中心組成，應(yīng)用層為應(yīng)用平臺及用戶終端設(shè)備，系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖1所示：

2.1 功能設(shè)計

系統(tǒng)功能主要包含礦井環(huán)境數(shù)據(jù)采集、節(jié)點與網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲及分析、控制器使能及終端顯示?；贚oRa無線網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計具體功能包含以下四個方面：

1） 智能傳感器監(jiān)測模塊和井下警報設(shè)備分布在礦井中，負(fù)責(zé)礦井中環(huán)境信息數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。

2） 無線通信設(shè)備在傳感器節(jié)點和智能網(wǎng)關(guān)之間通過LoRa無線通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，即完成接入功能和傳輸功能。

3） 上位機和數(shù)據(jù)中心設(shè)置在礦井安全監(jiān)控室，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)控、存儲、訪問、控制及顯示，即完成設(shè)備連接和業(yè)務(wù)使能。

4） 用戶終端設(shè)備可訪問Web界面進行實時數(shù)據(jù)查看，在Web端提供界面顯示、操作交互及閾值設(shè)定。

2.2 LoRa組網(wǎng)設(shè)計

將若干個數(shù)據(jù)采集子節(jié)點均設(shè)置在監(jiān)控目標(biāo)礦井現(xiàn)場，負(fù)責(zé)對井下的數(shù)據(jù)實時采集、處理、報警、上傳，同時每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點模塊都含有集成GPS模塊，可實時監(jiān)測該節(jié)點的位置坐標(biāo)，突發(fā)事件時可及時對該節(jié)點進行定位，從而進行救援。

系統(tǒng)主節(jié)點設(shè)置在礦井入口處，通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)將各數(shù)據(jù)采集子節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機或數(shù)據(jù)中心，用戶可通過個人終端設(shè)備訪問上位機或數(shù)據(jù)中心，實時查看礦井下環(huán)境各項實時參數(shù)。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點和系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用Mesh網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)點是：各從節(jié)點都互相連接，并且每一個節(jié)點至少連接其他兩個節(jié)點，所有節(jié)點之間形成一個完整的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)[4]。當(dāng)任意一條數(shù)據(jù)通信線路故障或無響應(yīng)時，Mesh網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)可自動切換至其他的線路進行數(shù)據(jù)傳輸，任意節(jié)點故障都不影響網(wǎng)絡(luò)的正常訪問，系統(tǒng)可靠性非常高，并且網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常故障時可設(shè)置自動修復(fù)功能，以確保數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定及高速流暢[5]。

系統(tǒng)的LoRa組網(wǎng)包含一個主節(jié)點和六個子節(jié)點，節(jié)點之間采用Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主節(jié)點與子節(jié)點之間通過多路由傳輸數(shù)據(jù)，不依賴于某單一節(jié)點的性能，進而避免了某一節(jié)點出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡(luò)也就隨之癱瘓。主節(jié)點上的LoRa模塊初始化后向各個節(jié)點發(fā)送廣播信息，然后判斷子節(jié)點中的LoRa模塊是否有信息傳入，接收到子節(jié)點無線模塊發(fā)送的入網(wǎng)請求后，再向各模塊分配地址，并等待子節(jié)點的無線模塊入網(wǎng)，如主節(jié)點無法收到信息則會登記丟失的節(jié)點信息并重新等待第二次網(wǎng)關(guān)發(fā)送廣播信息。LoRa廣播組網(wǎng)流程圖如圖2所示：

3 硬件設(shè)計方案

基于LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測硬件系包含中央控制芯片，LoRa無線通信模塊，A/D轉(zhuǎn)換電路、傳感器電路、電源電路及顯示電路。

3.1 中央控制硬件設(shè)計

硬件設(shè)計方案采用STM32F103C8T6作為中央控制芯片，該芯片是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核系列的32位的微控制器，其RAM容量為64KB，ROM容量為512KB，工作電壓為2V～3.6V，支持上電/斷電復(fù)位（POR/PDR） 、可編程電壓監(jiān)測器（PVD） ，并增強外設(shè)接口如：定時器、ADC、SPI、USB、IIC和UART。

主要優(yōu)勢在于封裝體積小，芯片內(nèi)部具有8個定時器及3個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入，其主頻可高達168Mhz，同時內(nèi)部具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能直接在STM32內(nèi)部轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，可滿足礦井下的各類數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換。

3.2 無線模組硬件設(shè)計

LoRa無線通信模塊采用的是SEMTECH公司的SX1278，該模塊具有超遠距離通信、功率密度集中、抗干擾性強和功耗低等特點，該芯片可以通過SPI與中央處理芯片進行數(shù)據(jù)交互。

設(shè)置為LoRaTM模式下芯片接收電流約為12mA，在低功耗的前提下能實現(xiàn)-148dbm的高靈敏度通信，具有+20dbm的功率輸出，擴頻因子為6～12，BW7.8～500kHz，空中數(shù)據(jù)速率0.018～37.5kbps。并具有高達+14dBm 的高效率功率放大器，其接收速率為250bps，可增強遠距離傳輸效果。

3.3 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器包含溫度傳感器、水分傳感器、氣體監(jiān)測傳感器、LED警報、蜂鳴器警報及通風(fēng)傳感器，各傳感器節(jié)點將采集信息傳送至中央控制芯片，并可從中央控制端接受下行指令，調(diào)節(jié)各傳感器并設(shè)定閾值或控制警報裝置響應(yīng)，從而達到精準(zhǔn)監(jiān)測及控制。

3.3.1 溫度監(jiān)測硬件設(shè)計

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，具有硬件體積小，系統(tǒng)抗干擾能力強，采集精度高、適合于各類惡劣環(huán)境現(xiàn)場溫度測量的特點。

該傳感器的通信方式為：采用單總線的接口連接，與微處理器連接時僅需要一條串口線即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通訊。其設(shè)計優(yōu)點包含兩個方面：1） 每個DS18B20都有獨立唯一的64位ID，根據(jù)此特性可將多個傳感器掛載到同一根總線上，通過ROM搜索讀取相應(yīng)傳感器的采集溫度；2） 供電方式靈活，即可通過內(nèi)部寄生電路從數(shù)據(jù)線上獲取電源并具有掉電保護功能，在系統(tǒng)掉電以后，內(nèi)部的EEPROM仍可保存分辨率及報警溫度的設(shè)定值。

3.3.2 水分監(jiān)測硬件設(shè)計

CSF11系列土壤水分傳感器基于頻域反射FDR原理，是一種電介質(zhì)型傳感器，其工作原理是根據(jù)100MHz頻率下測量傳感器上電容的變化量，從而測量傳感器接觸介質(zhì)的介電常數(shù)。常溫下水的介電常數(shù)約為78.36F/m，干燥土壤的介電常數(shù)為5.5F/m。因此當(dāng)干燥土壤中的水含量變化時，土壤的介電常數(shù)也會隨之發(fā)生較大變化。本系列的土壤水分傳感器電路把溫度變化對測定的影響減小。該傳感器采用了數(shù)字化技術(shù)和耐用材料，測量精度高且價格低廉，同時可以對多處樣地、不同土壤深度的水分含量進行長期連續(xù)監(jiān)測[6]。

3.3.3 氣體監(jiān)測硬件設(shè)計

MP503是平面半導(dǎo)體氣體傳感器，是一個智能通用型、小型傳感器，利用傳感器電導(dǎo)率變化原理對空氣中存在的甲烷、天然氣、沼氣進行探測，具有很好的選擇性和無氧氣依賴性，壽命長，內(nèi)置溫度補償，同時具有模擬電壓輸出，方便使用。當(dāng)環(huán)境空氣中有被檢測氣體濃度變化時，空氣質(zhì)量傳感器的電導(dǎo)率隨即發(fā)生變化，被檢測氣體的濃度越高，空氣質(zhì)量傳感器的電導(dǎo)率就越高，采用簡單的A/D轉(zhuǎn)換電路即可將被檢測氣體濃度轉(zhuǎn)化為對應(yīng)傳感器電導(dǎo)率的輸出信號。

3.3.4 警報及通風(fēng)硬件設(shè)計

設(shè)計中的警報模塊及通風(fēng)模塊包含BUZZER蜂鳴器、LED及風(fēng)扇，當(dāng)煤礦井下環(huán)境采集信息數(shù)據(jù)值未超過設(shè)定閾值時，LED保持熄滅狀態(tài)、蜂鳴器不鳴響且風(fēng)扇不轉(zhuǎn)。當(dāng)煤礦井下環(huán)境異常，采集信息的任意數(shù)據(jù)值超過設(shè)定閾值時，蜂鳴器啟動鳴響，LED保持以10Hz頻率閃爍，并風(fēng)扇啟動通風(fēng)動作[7]。

3.4 底層API邏輯設(shè)計

系統(tǒng)底層邏輯設(shè)計包含初始采集設(shè)備及服務(wù)器、啟動監(jiān)聽服務(wù)、TCP/IP連接、接收解析數(shù)據(jù)包、預(yù)警響應(yīng)及平臺顯示，系統(tǒng)通過完整的API邏輯完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送、異常警報及數(shù)據(jù)顯示等功能。

4 軟件設(shè)計方案

基于LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測的軟件設(shè)計方案中，包含傳感器數(shù)據(jù)采集、控制器異常警報、LoRa無線節(jié)點通信、智能網(wǎng)關(guān)配置及服務(wù)器平臺顯示，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

軟件平臺采用JavaScript語音編寫，開發(fā)環(huán)境為Node js，上位機軟件部分主要包括三個子系統(tǒng)：運營主界面顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢界面及系統(tǒng)設(shè)置模塊。

4.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是在傳感器節(jié)點、智能網(wǎng)關(guān)以及客戶端（Web端）之間進行，煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式如下：

1） 傳感器節(jié)點通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)關(guān)進行組網(wǎng)，協(xié)調(diào)器通過串口與智能網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)通信。

2） 傳感器采集的數(shù)據(jù)通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給智能網(wǎng)關(guān)，然后將數(shù)據(jù)推送給所有連接到智能網(wǎng)關(guān)的客戶端。

3） 客戶端（Web端）應(yīng)用通過調(diào)用平臺數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集，上報，監(jiān)測預(yù)警等功能。

4.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

在基于LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計中包含：運營界面、ID/KEY驗證、歷史數(shù)據(jù)查詢、閾值設(shè)置及系統(tǒng)設(shè)置，各項功能用途如下：

運營界面：顯示采集模塊的實時數(shù)據(jù)信息，并可在系統(tǒng)中對各模塊設(shè)置閾值范圍，在運營界面中設(shè)計了5個顯示及操作模塊，分別為溫度、水分、氣體、警報、模式切換及閾值設(shè)置模塊。

ID/KEY驗證：設(shè)置系統(tǒng)訪問權(quán)限，保障采集數(shù)據(jù)安全性。在Web登錄界面輸入ID/KEY，與系統(tǒng)設(shè)置信息校對，如校對信息正確，則可進入運營界面，查看實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息。

歷史數(shù)據(jù)查詢：通過歷史數(shù)據(jù)查詢，可以查詢14天之內(nèi)的各個傳感器的采集信息，并且可以讀取到48h時間段內(nèi)的異常情況。

閾值設(shè)置：當(dāng)采集數(shù)據(jù)超過閾值時，系統(tǒng)進行異常警報。

系統(tǒng)設(shè)置：通過系統(tǒng)界面設(shè)置，完成系統(tǒng)ID/KEY的訪問權(quán)限管理及系統(tǒng)服務(wù)器地址。

5 系統(tǒng)驗證

通過上述硬件及軟件實現(xiàn)設(shè)計功能，完成了基于LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。為了驗證該設(shè)計是否能滿足煤礦井下的環(huán)境監(jiān)測功能，進行模擬實驗，分別選取三個測試節(jié)點進行48h仿真，通過仿真數(shù)據(jù)確定該設(shè)計達到預(yù)期要求。礦井環(huán)境監(jiān)測平臺Web系統(tǒng)圖如圖4所示。

6 結(jié)束語

針對礦井環(huán)境復(fù)雜且不易人工監(jiān)測，傳統(tǒng)的人工信息監(jiān)測法已經(jīng)無法保障信息及時傳遞及井下安全，本文基于LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了對礦井下的環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集以及警報裝置的控制，通過HTML5技術(shù)實現(xiàn)了Web端的應(yīng)用設(shè)計，能夠根據(jù)傳感器實時采集到的數(shù)據(jù)對LED、蜂鳴器及風(fēng)扇進行控制，通過模擬實驗驗證了基于LoRa的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計安全可靠。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：梁書】