基于LoRa技術的礦山地質災害監測預警系統設計

朱允偉，曹 巍，安平利，劉宏運

（北京榮創巖土工程股份有限公司，北京 100000）

地質災害的形成主要受到人為因素和自然因素影響，由于人類活動對地質結構造成破壞，改變了原有的地形、地貌以及地質結構，打破了原有的地質平衡從而引發地質災害。此外地質災害還會收到降雨、刮風等自然條件影響，具有關數據統計，絕大多數地質災害的發生與自然降雨有關，地質災害常發生于坡度較大、土質較松軟的區域，自然降雨對地質表面造成一定的沖刷力，在強降雨的沖刷下地勢較高的巖體和土壤向下運動，形成泥石流、山體滑坡等地質災害[1]。地質災害發生較多的地區為礦山，一旦地質災害發生沒有及時得到及時預測和控制，將會造成嚴重的人員傷亡，因此對礦山地質災害監測預警是非常有必要的。目前對于礦山地質災害監測預警所采取的手段和技術為監測預警系統，通過開發和設計出符合礦山實際情況的地質災害監測預警系統，對未來礦山地質災害發生幾率進行預測。但是目前現有的系統在硬件方面和軟件方面設計不夠合理，在實際應用中經常出現預警延遲，不能夠及時監測預警出礦山地質災害，為此提出基于LoRa技術的礦山地質災害監測預警系統設計。融合LoRa技術設計開發出一套新的監測預警系統，為礦山地質災害監測預警提供有利的參考依據。

1 基于LoRa技術的礦山地質災害監測預警系統硬件設計

此次在原有系統硬件基礎上增加了預警器，根據基于LoRa技術的礦山地質災害監測預警系統設計需求，對預警器進行了選型及設計，其具體設計如下。預警器的作用是當系統檢測到礦山可能發生地質災害時會自動發出報警信號，起到礦山地質災害預警提示作用，根據礦山地質災害監測預警需求，此次選用上海KIJ公司生產的DSD66141WRA型號預警器，該預警器有紅黑、黃白、藍白三種接線，其中紅黑接線表示電源信號，黃白接線表示常開信號，藍白接線表示常閉信號。

該預警器的工作溫度最高可以承受80℃，最低可以承受零下35℃，可以滿足礦山惡劣的氣候環境[2]。并且該預警器內含266SDRFESD語音提示芯片，該芯片采用2.2V供電，可以利用內置廣播實現多次數地質災害警示語音播放、點動播放以及循環預警語音播放。當系統預測到礦山可能發生地質災害時，DSD66141WRA預警器將以最大音量進行語音提示,提示內容可以自定義設置，也可以采用設備內存的語音提示。

根據系統預測到的地質災害等級大小發出不同的警示光，當系統預測到礦山中可能發生大型地質災害時，DSD66141WRA預警器將會發出紅色警示光；當系統預測到礦山中可能發生中型地質災害時，DSD66141WRA預警器將會發出黃色警示光；當系統預測到礦山可能發生小型地質災害時，DSD66141WRA預警器將會發出藍色警示光，根據發出不同的光提示礦山周圍居民以及礦山工作人員地質災害等級以及嚴重程度。結合此次設計系統的實際需求，設置DSD66141WRA預警器電阻值為84KΩ，采樣頻率為3.16KHz，語音播放時間為20s，將其安裝在礦山四周高欄處，容易被人觀看到的區域。

2 基于LoRa技術的礦山地質災害監測預警系統軟件設計

此次系統軟件設計采用模塊式設計方式，根據礦山地質災害監測預警需求，設計了監測模塊、預警模塊、LoRa無線通訊模塊三大功能模塊，其具體設計如下。

在監測模塊中設定了多個節點，每個監測點為一個模塊節點，每個節點需要根據自身定時接收到來自系統上位機地質災害數據采集命令，對監測區域范圍內的所有地質數據進行采集，其中包括礦山水文地質數據、礦山巖土地質數據以及礦山降雨數據信息等。各個監測節點采集到的數據信號均為模擬量信號，每一個模擬量信號都有一個對應轉換函數，利用對應的轉換函數將采集到的模擬量數據進行ADC轉換，并通過系統數據庫對AD數據寄存器進行控制，自動將AD數據寄存器中的數據進行保存。每一種地質災害在發生前都有一個變形的過程，其中最明顯的變形為礦山地質變形，即礦山地質發生位移、傾斜角度變化等[3]。預測模塊通過對節點采集到的地質數據分析，計算出礦山地質災害發生幾率，將數據庫中礦山地質原始數據與節點監測數據進行對比分析，對礦山地質變形進行量化計算，其計算公式如下：

公式（1）中，R表示礦山地質變形量化值；k表示量化系數；e表示礦山原本地質坐標；e1表示目前礦山地質坐標；l表示礦山原本地質傾斜角度；l1表示目前礦山地質傾斜角度；n表示系統監測階段序號。利用上述公式對礦山地質變形情況進行量化，并在監測模塊中設定了一個變形閾值，一旦礦山地質變形量化值超出設定閾值，則表示礦山將會發生地質災害。

監測模塊將監測數據結果傳輸給預警模塊，由預警模塊發出預警提示，其中包括礦山地質災害預計發生位置、發生時間等，預警模塊接收到系統預警指令后將自動控制預警裝置發出警報，提示周圍居民及時撤離。

系統各個監測節點以及模塊之間的通信主要依靠LoRa無線通訊模塊實現，該模塊設計采用了LoRa技術，利用LoRa技術接收到各個節點的數據，組成無線網絡。由于系統各個節點數據頻帶寬度較小，這種類型的數據不利于通信，因此在LoRa無線通訊模塊中利用LoRa技術的擴頻調制功能對節點頻道進行擴頻，將發送信號調制成數字信號，發送給LoRa無線通訊模塊中的擴頻碼發生器，通過擴頻碼發生器調制數字信號以展開信號的頻譜，最后再利用LoRa無線通訊模塊中的射頻器將信號發生出去，以此實現LoRa無線通訊模塊的通信功能。

3 實驗論證分析

實驗以某礦山為實驗對象，該礦山面積為16943.26m2，礦山最大坡度為65.5°，雨季為每年的七月到九月，該礦山周圍居民數據較多，并且在雨季期間地質災害頻發，常見的地質災害有泥石流和山體滑坡，實驗利用此次設計系統與傳統系統對該礦山進行地質災害預測預警。兩個系統在Windows2008操作系統，16G硬盤環境中進行，根據該礦山實際情況，設定了150個監測點，安裝的監測器數量為5個，并在礦山的周圍四個角和中心地區安裝了預警器。實驗中將檢測器的監測周期設定為15s，監測頻率設定為2.56Hz，利用兩級2.5V電池通過系統電源電路向各個監測器和報警器提供供電電壓。實驗時間為3個月，對三個月內礦山地質災害進行監測預警，并對預警數據進行記錄。實驗期間礦山共發生地質災害8起，利用OJH軟件計算出兩種系統對該8次地質災害預警延遲時間，對兩種系統進行對比分析，實驗結果如下表所示。

表1 兩個系統預警延遲時間對比（s）

從上表中可以看出，此次設計系統預警延遲時間較小，基本可以控制在1s以內，能夠對礦山地質災害進行及時的監測和預警；而傳統系統預警延遲時間較長，最長延遲時間為21.25s。

因此實驗證明了，此次設計系統相對于傳統系統在預警及時方面具有明顯的優勢，更適用于礦山地質災害監測預警。

4 結束語

本文在原有礦山地質災害監測預警系統基礎上，引入了LoRa技術，對原有系統的硬件和軟件進行了完善與優化，提出一套新的礦山地質災害監測預警系統設計理論。此次研究對提高礦山地質災害監測預警技術水平具有重要的意義，同時對解決礦山地質災害監測預警延時問題具有重要作用。