基于無線傳感網絡的水源井集中監控系統設計

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

關鍵詞：水源井;無線傳感網絡;LoRa;監控系統

0 引言

煤炭是我國三大傳統能源之一，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。煤礦礦區一般比較偏僻，生產和生活用水問題都需要礦區自己解決。根據礦區結構不同，各個生產、生活區域都會設置水源井，且相互之間距離較遠。傳統的煤礦水源井監控主要采用工作人員定期巡檢、現場操作的方式，通過電話溝通進行現場調度，無法實時獲取現場水泵設備的運行狀態及故障信息，因此，現場設備的運行安全性、操作實時性得不到保證，無法實時統計和獲取生活、生產用水的相關數據，給企業生產和員工生活造成了重大影響。

針對上述問題，本文設計并實現了基于無線傳感網絡的水源井集中監控系統。該系統通過LoRa構建無線傳感網絡，實現數據的遠程集中監控，避免了傳統有線監控方式帶來的高建設成本、高維護費用等問題，大大提高了監控系統的穩定性和監控效率。

1 系統總體方案設計

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

2 系統硬件設計

2.1? ? LoRa無線通信模塊

LoRa模塊通過E32-TTL-100實現無線通信，該模塊基于高溫定性的SX1278射頻芯片，數據傳輸采用串口且透明傳輸的方式，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水源井集中監控的實際需要。該模塊在數據上采用了軟件的FEC前向糾錯算法，使其具有很強的主動糾錯能力，大大提高了數據傳輸的穩定性。

2.2? ? 數據采集模塊

本系統的數據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據。

壓力變送器根據實際需要，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實現，繼電器的開關狀態為數字量。

電量采集模塊主要通過現場裝設電流互感器、電壓互感器，并經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線性差分穩壓器實現，3.3 V電源由AMS1117穩壓芯片提供。

3 系統軟件設計

3.1? ? 系統終端節點軟件設計

系統終端節點通過各類變送器及處理電路獲取實時數據，并通過LoRa節點傳輸至LoRa匯聚節點。系統運行時，STM32核心控制器首先完成傳感器和LoRa節點的初始化;然后通過LoRa匯聚節點實現無線傳感網絡組件，選擇ClassA工作模式，并對上下行鏈路的相關信息進行設置，發送相應的入網請求;最后會對是否入網的狀態進行確認，若不成功，則會繼續組建網絡，直到網絡組建成功為止。

3.2? ? 系統匯聚節點軟件設計

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

4 結語

本文采用現代化的LoRa無線通信方式構建無線傳感網絡，實現對煤礦水源井的出水壓力、開關量信號和電量信號等數據的實時獲取和處理，消除了傳統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。該系統通過在山西某礦區的實際運行表明，其能夠對水源井進行實時監測和控制，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。