基于LoRa技術(shù)的頂板監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

朱海峰 楊 銳

（1.棗莊王晁煤礦有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277100；2.山東精誠致和信息科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

王晁煤礦之前采用機(jī)械式頂板離層設(shè)備，由人工目測采集數(shù)據(jù)，然后根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行人工分析。為了提高轄區(qū)煤礦頂板管理水平，利用信息化手段，采用支持物聯(lián)網(wǎng)無線連接的頂板離層在線監(jiān)測系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式離層儀，實(shí)現(xiàn)頂板離層的精準(zhǔn)監(jiān)測，從而達(dá)到強(qiáng)化頂板安全管理、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的目的。山東精誠致和信息科技有限公司提供一套基于LoRa技術(shù)的礦壓監(jiān)測系統(tǒng)，利用LoRa無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)頂板離層數(shù)據(jù)的采集，并采用配套的大容量電源箱，解決頂板離層儀的供電問題，避免了繁瑣的布線過程，大大簡化了安裝以及后期的維護(hù)工作。

1 頂板監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)和組成

頂板監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)王晁煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場的需求，結(jié)合LoRa無線通信技術(shù)的特點(diǎn)，提出的兼顧成本和使用方便性的解決方案。整個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：一是傳感層，由若干個(gè)數(shù)據(jù)采集單元構(gòu)成，每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元由一個(gè)礦用圍巖移動(dòng)傳感器和一個(gè)礦用本安型電源箱組成，完成對(duì)頂板深部和淺部離層值的采集；二是傳輸層，包括無線數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)、工業(yè)以太網(wǎng)傳輸三部分，礦用本安型傳輸分站通過LoRa無線信號(hào)獲取數(shù)據(jù)采集單元間發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收完成后，進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，并通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器；三是應(yīng)用層，包括數(shù)據(jù)采集、分析和客戶端應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集服務(wù)接收傳輸分站通過工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)后送至頂板離層分析系統(tǒng)進(jìn)行分析，報(bào)警信息推送服務(wù)會(huì)及時(shí)將各種報(bào)警信息通過Web客戶端、手機(jī)APP、聲光任務(wù)提醒器發(fā)送給相關(guān)人員[1]。頂板監(jiān)測系統(tǒng)總體框架如圖1。

圖1 頂板監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

頂板監(jiān)測系統(tǒng)由井下和井上兩部分組成，其中井下部分由礦用圍巖移動(dòng)傳感器、礦用本安型電源箱、傳輸分站、直流穩(wěn)壓電源、手持終端、井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)組成，井上部分由地面交換機(jī)、監(jiān)控大屏、Web監(jiān)控機(jī)、服務(wù)器、打印機(jī)、路由器以及聲光任務(wù)提醒器組成，服務(wù)器中運(yùn)行著數(shù)據(jù)采集服務(wù)和頂板離層分析系統(tǒng)軟件等。頂板監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖2。

圖2 頂板監(jiān)測系統(tǒng)組成圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）利用離線巡檢和在線監(jiān)測兩種工作模式實(shí)現(xiàn)更靈活的系統(tǒng)部署

礦用圍巖移動(dòng)傳感器中內(nèi)置了BLE數(shù)據(jù)采集模塊和LoRa射頻通信模塊，借助于兩種射頻通信手段的加持，設(shè)備具備離線巡檢和在線監(jiān)測兩種工作模式切換的能力。離線巡檢模式借助于BLE數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)，模塊可按照設(shè)定的時(shí)間周期性獲取頂板離層信息并存儲(chǔ)，待巡檢人員攜帶手持終端經(jīng)過時(shí)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。離線巡檢模式適用于巖層穩(wěn)定頂板離層變化緩慢和傳輸分站部署困難的巷道。在線監(jiān)測模式借助于LoRa射頻通信模塊實(shí)現(xiàn)，模塊周期性獲取頂板離層信息后，通過LoRa射頻信號(hào)將數(shù)據(jù)發(fā)送給傳輸分站，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)后送到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。在線監(jiān)測模式適用于圍巖移動(dòng)傳感器安裝密集、頂板監(jiān)測信息上報(bào)實(shí)時(shí)性要求高的巷道。

（2）利用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸

LoRa具有較低的功耗水平、較遠(yuǎn)的通信覆蓋面，在物聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。LoRa憑借其采用的一種線性擴(kuò)頻調(diào)制方式，增加了信號(hào)在傳輸過程中抗多徑和抗衰落的能力，較高的接收信號(hào)靈敏度和發(fā)送功率增加了其通信距離[2-4]。

（3）利用大容量電源供電實(shí)現(xiàn)設(shè)備的簡便安裝和維護(hù)

礦用本安電源箱是一款用于煤礦下低壓設(shè)備供電的便攜式電源，采用本安電路設(shè)計(jì)，在力保本質(zhì)安全的條件下，實(shí)現(xiàn)最大容量。與傳統(tǒng)供電方式相比，采用本產(chǎn)品供電，可大大簡化現(xiàn)場實(shí)施的難度和復(fù)雜程度，顯著增加部署的靈活和便利性。內(nèi)置8000 mA/h錳酸鋰電池，可為礦用圍巖移動(dòng)傳感器供電，供電時(shí)間為6個(gè)月以上。

（4）利用聲光任務(wù)提醒器實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的及時(shí)提醒

聲光任務(wù)提醒器采用WiFi模塊，內(nèi)部集成音頻模塊和RGB三色燈，產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)后，接收報(bào)警信息推送服務(wù)發(fā)送的消息，改變設(shè)備燈光并播放音頻，實(shí)現(xiàn)聲光任務(wù)提醒。本產(chǎn)品放置在相關(guān)部門和領(lǐng)導(dǎo)的辦公室中，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的及時(shí)提醒，提高工作效率，防止關(guān)鍵以及緊急事件的遺漏和延誤。

3 技術(shù)目標(biāo)和實(shí)施要點(diǎn)

（1）借助于礦用本安型電源箱的使用，省去了在傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)部署中長距離電纜的工作量，并簡化了后期維護(hù)和拆除的相關(guān)工作。

（2）采用各類手持設(shè)備終端廣泛支持的BLE技術(shù)進(jìn)行離線巡檢模式下的數(shù)據(jù)傳輸，無需采用專用的巡檢設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)離線巡檢，提高了設(shè)備的重復(fù)利用率，減少了項(xiàng)目投入。

（3）基于Web技術(shù)構(gòu)建頂板離層儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，可同時(shí)滿足在煤礦端、移動(dòng)端查看調(diào)取煤礦井下頂板離層儀的相關(guān)數(shù)據(jù)的要求。

（4）借助于LoRa無線射頻技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)頂板離層數(shù)據(jù)采集、上傳、匯總到信息分析等進(jìn)行全方位管理，為煤礦頂板安全管理工作提供依據(jù)。

4 項(xiàng)目應(yīng)用效果

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有入網(wǎng)礦用圍巖移動(dòng)傳感器離層值監(jiān)測以及功能狀態(tài)監(jiān)測的功能；對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的安裝、使用狀態(tài)、拆除、報(bào)廢的記錄管理；對(duì)系統(tǒng)內(nèi)分區(qū)域、分地點(diǎn)頂板圍巖位移歷史記錄分析，并及時(shí)對(duì)超限地點(diǎn)進(jìn)行報(bào)警；按地域、時(shí)間等分類查詢、顯示、打印等功能。

系統(tǒng)投入使用后，井下巷道中頂板離層傳感器數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)，并借助于Web技術(shù)架構(gòu)構(gòu)建頂板離層數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，滿足煤礦職能科室和生產(chǎn)管理相關(guān)管理者通過PC、手機(jī)等終端查閱實(shí)時(shí)的頂板離層數(shù)據(jù)，同時(shí)借助于聲光任務(wù)提醒器和手機(jī)APP將系統(tǒng)的報(bào)警及時(shí)推送，實(shí)現(xiàn)了信息的及時(shí)提醒，提高工作效率，防止關(guān)鍵以及緊急事件的遺漏和延誤。

5 結(jié)語

隨著LoRa技術(shù)在井下頂板監(jiān)測等系統(tǒng)的應(yīng)用，LoRa技術(shù)憑借其表現(xiàn)優(yōu)異的低功耗、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，越來越受煤礦企業(yè)和解決方案服務(wù)商的青睞，并得到廣泛的應(yīng)用。由于煤礦巷道的特點(diǎn)對(duì)LoRa星形網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)現(xiàn)場部署和使用不友好[5]，導(dǎo)致LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍變得很小，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，可通過級(jí)聯(lián)、級(jí)跳等mesh相關(guān)技術(shù)增大LoRa信號(hào)覆蓋范圍，提高LoRa技術(shù)在煤礦井下的競爭力，更好地為煤礦設(shè)備的信息化提供服務(wù)。