基于LoRa技術(shù)的礦井信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

陳鋒

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230000)

煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜且惡劣，為了防止礦井安全事故的發(fā)生，需要對(duì)井下環(huán)境信息24小時(shí)不間斷進(jìn)行監(jiān)測，保證礦井工作環(huán)境的安全及穩(wěn)定。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的快速發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)、無線通信技術(shù)用于傳感信息采集監(jiān)測的應(yīng)用越來越廣泛[1]。目前物聯(lián)網(wǎng)無線通信組網(wǎng)主要以藍(lán)牙、ZigBee[2]、WiFi為主，但這些技術(shù)存在覆蓋范圍小、功耗大、易干擾等問題。LoRa技術(shù)作為一種新型的遠(yuǎn)距離、低功耗LPWAN技術(shù)，其利用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，增加了鏈路的抗干擾性，具有長距離、低功耗、抗干擾、易組網(wǎng)等特點(diǎn)。本文將LoRa技術(shù)應(yīng)用于礦井信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在井下監(jiān)測區(qū)域放置無線傳感器，采用LoRa無線通信技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)監(jiān)測。通過無線傳輸將傳感數(shù)據(jù)信息傳輸至LoRa網(wǎng)關(guān)，最終傳輸至地面監(jiān)控中心。該方案有效地解決了礦井信息采集節(jié)點(diǎn)多而散，環(huán)境復(fù)雜組網(wǎng)困難，傳輸距離遠(yuǎn)等問題。提高了系統(tǒng)的集成度以及抗干擾性。

1 系統(tǒng)方案及功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案框架

本系統(tǒng)利用LoRa長距離，低功耗，易組網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)組建了礦井信息監(jiān)測系統(tǒng)，其整體框架如圖1所示，系統(tǒng)主要包括傳感部分[3]、處理部分、無線傳輸部分以及應(yīng)用監(jiān)測部分[4]。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各個(gè)硬件節(jié)點(diǎn)組成如圖2所示，子節(jié)點(diǎn)處理器上的傳感器單元對(duì)井下溫濕度、空氣質(zhì)量、火焰、可燃?xì)怏w傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行感知和采集，并將數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)男问絺髦罫oRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)對(duì)各個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)經(jīng)過匯聚后[5]，最后通過WiFi傳至地面監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)地面工作人員對(duì)井下數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖2 礦井信息節(jié)點(diǎn)硬件框架圖

1.2 系統(tǒng)功能框架

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能為：一是利用嵌入式技術(shù)控制傳感器模塊采集井下各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)；二是利用LoRa無線傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送匯聚到LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；三是LoRa網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至WiFi模塊，進(jìn)而傳輸至地面數(shù)據(jù)中心；四是通過上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。礦井信息采集系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 礦井信息采集系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信息采集子節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

信息采集節(jié)點(diǎn)主要由STM32微處理器、傳感器采集電路、LoRa無線模塊等構(gòu)成。如圖4所示，主控芯片為ST意法半導(dǎo)體公司的低功耗芯片STM32L151；無線部分的射頻芯片使用SX1278LoRa芯片，其特點(diǎn)是低功耗和廣覆蓋。子節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)組成星型網(wǎng)絡(luò)，通過LoRa模塊周期性地將傳感器采集的數(shù)據(jù)上報(bào)到LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。傳感器部分參數(shù)如表1所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)硬件框圖

表1 傳感器模塊參數(shù)

2.2 LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要由STM32微處理器、ESP8266WiFi模塊、LoRa無線模塊、LCD模塊等構(gòu)成。具體硬件框圖如圖5所示，主控芯片和射頻芯片型號(hào)與子節(jié)點(diǎn)型號(hào)相同。選用ESP8266作為WiFi傳輸模塊，該芯片性價(jià)比高，具有強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力，支持station、soft-AP、station+soft-AP三種工作模式。主控單元與信息采集子節(jié)點(diǎn)通過LoRa無線傳輸通信，主控單元與ESP8266通過USART串口方式進(jìn)行通信，ESP8266將接收到的信息發(fā)送到服務(wù)器，完成整個(gè)信息數(shù)據(jù)的上報(bào)[6]。

圖5 LoRa網(wǎng)關(guān)硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

通信協(xié)議確保通信雙方能夠可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)中采用定時(shí)收發(fā)自組協(xié)議的方式進(jìn)行，在采集環(huán)境信息傳感數(shù)據(jù)值時(shí)，網(wǎng)關(guān)定時(shí)發(fā)送請(qǐng)求幀給各個(gè)信息采集子節(jié)點(diǎn)，信息采集子節(jié)點(diǎn)按照定義好的數(shù)據(jù)幀協(xié)議，將響應(yīng)幀發(fā)送到LoRa網(wǎng)關(guān)。請(qǐng)求幀和響應(yīng)幀格式如表2和表3所示。

表2 請(qǐng)求幀協(xié)議

表3 響應(yīng)幀協(xié)議

協(xié)議規(guī)定，幀頭和幀尾分別固定為0x55、0xFF，表示一個(gè)協(xié)議幀的開始和結(jié)尾，網(wǎng)絡(luò)地址表示該LoRa網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)編號(hào)，設(shè)備地址表示各個(gè)信息采集子節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，例如0x1234。協(xié)議幀的校驗(yàn)方式使用和校驗(yàn)，如校驗(yàn)不一致，則丟棄該幀數(shù)據(jù)。

3.2 LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

LoRa網(wǎng)關(guān)的功能是定時(shí)發(fā)送協(xié)議請(qǐng)求幀到各個(gè)信息采集子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收子節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)幀，解析響應(yīng)幀中的傳感數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到ESP8266WiFi模塊。主程序中，初始化成功后，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，網(wǎng)關(guān)根據(jù)當(dāng)前設(shè)備地址發(fā)送請(qǐng)求幀到該信息采集子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)設(shè)備地址+1，當(dāng)下次時(shí)間到時(shí)，發(fā)送請(qǐng)求幀到下一個(gè)信息采集子節(jié)點(diǎn)，采用這種輪詢的方式依次發(fā)送請(qǐng)求幀到網(wǎng)絡(luò)中所有的設(shè)備節(jié)點(diǎn)；當(dāng)LoRa網(wǎng)關(guān)收到來自信息采集子節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)幀時(shí)，先對(duì)幀頭、幀尾以及校驗(yàn)幀進(jìn)行核對(duì)，確保接收數(shù)據(jù)正確，再從響應(yīng)幀中解析設(shè)備地址和傳感數(shù)據(jù)，最后將解析到的傳感數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到esp8266Wifi模塊[7]。LoRa網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 LoRa網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.3 信息采集子節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

信息采集節(jié)點(diǎn)主要功能是接收LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送的請(qǐng)求幀,完成井下環(huán)傳感數(shù)據(jù)的采集，將采集的數(shù)據(jù)自組LoRa響應(yīng)幀并上報(bào)LoRa網(wǎng)關(guān)。子節(jié)點(diǎn)主程序完成硬件的初始化后，進(jìn)入While循環(huán)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，啟動(dòng)傳感器采集函數(shù)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；當(dāng)查詢到無線LoRa數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀協(xié)議時(shí)，子節(jié)點(diǎn)首先查詢幀頭幀尾以及校驗(yàn)位是否一致，確保請(qǐng)求幀的完整性以及正確性，當(dāng)無誤后解析該幀的設(shè)備地址是否為本節(jié)點(diǎn)地址，如果不是，則丟棄該幀。如果是，則根據(jù)響應(yīng)幀協(xié)議組幀，把傳感數(shù)據(jù)添加到協(xié)議幀中，并發(fā)送到LoRa網(wǎng)關(guān)。信息采集子節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 信息采集子節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)測試與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)在煤礦井下遠(yuǎn)程通信中，LoRa節(jié)點(diǎn)最大通信距離、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、有效性等指標(biāo)[8]，通過在住宅小區(qū)范圍的幾棟高樓部署不同的LoRa節(jié)點(diǎn)，固定其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)為可移動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)工作頻率433.3 MHz，頻帶寬度為125 KHz，LoRa模塊發(fā)射功率130 mW;LoRa網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求幀間隔為1 s。圖8所示利用串口調(diào)試工具對(duì)LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采集的各子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，移動(dòng)端App開發(fā)工具使用 Android Studio，其手機(jī)端用戶交互界面如圖9所示。

表4 通信距離及可靠性測試結(jié)果

從測試結(jié)果看，在1 500 m以內(nèi)數(shù)據(jù)基本無丟包，可靠性較高，隨著通信距離的增大，丟包率逐漸增大，在2.5 KM以內(nèi)，丟包率仍小于10%，可適當(dāng)增大節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，提高傳輸?shù)目煽啃浴Ｈ鐖D8所示，利用 LoRa無線傳輸技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下信息數(shù)據(jù)的采集，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控井下的溫度、濕度、可燃?xì)怏w、火焰等信息，判斷當(dāng)前井下環(huán)境的狀態(tài)。圖9信息顯示，當(dāng)手機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，手機(jī)就接收到LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)來的數(shù)據(jù)值，手機(jī)將接收值進(jìn)行處理，并將信息實(shí)時(shí)顯示出來。在井下環(huán)境中，采用LoRa無線通信技術(shù)，通信的可靠性和有效性、抗干擾性都有較好的提升。

圖8 串口數(shù)據(jù)顯示

圖9 移動(dòng)端交互界面

5 結(jié)論

1)提出一種基于LoRa的井下信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為煤礦井下隱患安全提出了一種新的解決方法。

2)采用LoRa無線模塊、STM32模塊、WiFi模塊、傳感器模塊構(gòu)成主要的硬件系統(tǒng)，采用串口通信以及LoRa無線通信，實(shí)現(xiàn)傳感信息數(shù)據(jù)的長距離傳輸。

3)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控井下各監(jiān)測點(diǎn)溫濕度、火焰數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量、可燃?xì)怏w等數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到地面監(jiān)測系統(tǒng)。地面通過系統(tǒng)及時(shí)掌握各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)的應(yīng)用能有效提高消防應(yīng)急處突能力，是對(duì)井下災(zāi)害隱患的有效監(jiān)測和預(yù)防。