基于LoRa無線傳感網絡的煤礦安全監測系統設計

魏璁琪　雷妍

摘要：礦井環境安全與否直接關系到井下從業人員的生命，為保障煤礦開采相關從業人員的安全，提出了基于LoRa無線傳感網絡的煤礦安全監測系統設計，并充分利用LoRa無線通信協議的傳輸距離遠、多節點、易組網、低功耗的優勢及STM32微處理器的多外設接口及高性能特點，結合嵌入式技術、Web技術、物聯網技術及長距離無線通信技術完成煤礦安全監測系統設計，根據測試結果驗證了該系統設計可滿足礦井下環境安全監測及警報功能。

關鍵詞：LoRa；無線傳感網絡；安全監測

中圖分類號：TN929.5;TP273? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）34-0077-04

1 引言

我國工業生產、居民生活的主要能源物質均為煤炭，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，但各煤層的存儲條件和地質情況差異很大，許多煤礦井下自然環境惡劣，受到雨水、高溫、粉塵、瓦斯、頂板等自然災害的威脅。據國家能源局2021年統計數據，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環境進行安全監測十分重要[1]。

傳統的有線傳輸方式在煤礦井下這種特殊環境中，系統布線多、功耗大，施工復雜，實現起來非常困難[2]。若使用傳感器及無線傳感網絡就可以很好地解決這一問題，利用一套完整的礦井環境監測系統對井下環境進行實時監測及預警非常必要。本系統設計結合嵌入式技術、物聯網技術、無線通信技術及傳感器技術，設計了一套能滿足數據遠程共享顯示同時又能兼顧節能環保、直觀可視、性能穩定等的礦下環境監測系統。測試結果表明，系統設計可以既能滿足對礦井現場環境的實時監測、數據分析、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定等優點。

2 系統總體方案設計

總體方案設計由感知層、網絡層、平臺層、應用層四個部分構成[3]，其中感知層由多種采集類傳感器模塊組成，網絡層由無線通信設備及網關組成，平臺層由上位機及數據中心組成，應用層為應用平臺及用戶終端設備，系統總體設計框架如圖1所示：

2.1 功能設計

系統功能主要包含礦井環境數據采集、節點與網關數據通信、數據存儲及分析、控制器使能及終端顯示。基于LoRa無線網絡的煤礦安全監測系統設計具體功能包含以下四個方面：

1） 智能傳感器監測模塊和井下警報設備分布在礦井中，負責礦井中環境信息數據的采集、處理和傳輸。

2） 無線通信設備在傳感器節點和智能網關之間通過LoRa無線通信協議實現數據傳輸，即完成接入功能和傳輸功能。

3） 上位機和數據中心設置在礦井安全監控室，負責數據監控、存儲、訪問、控制及顯示，即完成設備連接和業務使能。

4） 用戶終端設備可訪問Web界面進行實時數據查看，在Web端提供界面顯示、操作交互及閾值設定。

2.2 LoRa組網設計

將若干個數據采集子節點均設置在監控目標礦井現場，負責對井下的數據實時采集、處理、報警、上傳，同時每個數據采集節點模塊都含有集成GPS模塊，可實時監測該節點的位置坐標，突發事件時可及時對該節點進行定位，從而進行救援。

系統主節點設置在礦井入口處，通過局域網或廣域網將各數據采集子節點的傳感器數據、定位數據、報警數據發送至上位機或數據中心，用戶可通過個人終端設備訪問上位機或數據中心，實時查看礦井下環境各項實時參數。

數據采集節點和系統網關節點采用Mesh網格網絡。該網絡結構優點是：各從節點都互相連接，并且每一個節點至少連接其他兩個節點，所有節點之間形成一個完整的網格網絡[4]。當任意一條數據通信線路故障或無響應時，Mesh網格網絡可自動切換至其他的線路進行數據傳輸，任意節點故障都不影響網絡的正常訪問，系統可靠性非常高，并且網絡發生異常故障時可設置自動修復功能，以確保數據網絡安全穩定及高速流暢[5]。

系統的LoRa組網包含一個主節點和六個子節點，節點之間采用Mesh拓撲結構，主節點與子節點之間通過多路由傳輸數據，不依賴于某單一節點的性能，進而避免了某一節點出現故障，整個網絡也就隨之癱瘓。主節點上的LoRa模塊初始化后向各個節點發送廣播信息，然后判斷子節點中的LoRa模塊是否有信息傳入，接收到子節點無線模塊發送的入網請求后，再向各模塊分配地址，并等待子節點的無線模塊入網，如主節點無法收到信息則會登記丟失的節點信息并重新等待第二次網關發送廣播信息。LoRa廣播組網流程圖如圖2所示：

3 硬件設計方案

基于LoRa無線傳感網絡的煤礦安全監測硬件系包含中央控制芯片，LoRa無線通信模塊，A/D轉換電路、傳感器電路、電源電路及顯示電路。

3.1 中央控制硬件設計

硬件設計方案采用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/斷電復位（POR/PDR） 、可編程電壓監測器（PVD） ，并增強外設接口如：定時器、ADC、SPI、USB、IIC和UART。

主要優勢在于封裝體積小，芯片內部具有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脈沖計數的通道和增量編碼器輸入，其主頻可高達168Mhz，同時內部具有模數轉換器，能直接在STM32內部轉化數據，可滿足礦井下的各類數據采集、轉換。

3.2 無線模組硬件設計

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據交互。

設置為LoRaTM模式下芯片接收電流約為12mA，在低功耗的前提下能實現-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，空中數據速率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 傳感器節點硬件設計

傳感器包含溫度傳感器、水分傳感器、氣體監測傳感器、LED警報、蜂鳴器警報及通風傳感器，各傳感器節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，調節各傳感器并設定閾值或控制警報裝置響應，從而達到精準監測及控制。

3.3.1 溫度監測硬件設計

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

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數據的雙向通訊。其設計優點包含兩個方面：1） 每個DS18B20都有獨立唯一的64位ID，根據此特性可將多個傳感器掛載到同一根總線上，通過ROM搜索讀取相應傳感器的采集溫度；2） 供電方式靈活，即可通過內部寄生電路從數據線上獲取電源并具有掉電保護功能，在系統掉電以后，內部的EEPROM仍可保存分辨率及報警溫度的設定值。

3.3.2 水分監測硬件設計

CSF11系列土壤水分傳感器基于頻域反射FDR原理，是一種電介質型傳感器，其工作原理是根據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的介電常數。常溫下水的介電常數約為78.36F/m，干燥土壤的介電常數為5.5F/m。因此當干燥土壤中的水含量變化時，土壤的介電常數也會隨之發生較大變化。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。該傳感器采用了數字化技術和耐用材料，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監測[6]。

3.3.3 氣體監測硬件設計

MP503是平面半導體氣體傳感器，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，內置溫度補償，同時具有模擬電壓輸出，方便使用。當環境空氣中有被檢測氣體濃度變化時，空氣質量傳感器的電導率隨即發生變化，被檢測氣體的濃度越高，空氣質量傳感器的電導率就越高，采用簡單的A/D轉換電路即可將被檢測氣體濃度轉化為對應傳感器電導率的輸出信號。

3.3.4 警報及通風硬件設計

設計中的警報模塊及通風模塊包含BUZZER蜂鳴器、LED及風扇，當煤礦井下環境采集信息數據值未超過設定閾值時，LED保持熄滅狀態、蜂鳴器不鳴響且風扇不轉。當煤礦井下環境異常，采集信息的任意數據值超過設定閾值時，蜂鳴器啟動鳴響，LED保持以10Hz頻率閃爍，并風扇啟動通風動作[7]。

3.4 底層API邏輯設計

系統底層邏輯設計包含初始采集設備及服務器、啟動監聽服務、TCP/IP連接、接收解析數據包、預警響應及平臺顯示，系統通過完整的API邏輯完成數據采集、數據發送、異常警報及數據顯示等功能。

4 軟件設計方案

基于LoRa無線傳感網絡的煤礦安全監測的軟件設計方案中，包含傳感器數據采集、控制器異常警報、LoRa無線節點通信、智能網關配置及服務器平臺顯示，基于無線傳感網絡的煤礦安全監測軟件系統框圖如圖3所示。

軟件平臺采用JavaScript語音編寫，開發環境為Node js，上位機軟件部分主要包括三個子系統：運營主界面顯示、歷史數據查詢界面及系統設置模塊。

4.1 系統數據傳輸

煤礦安全監測系統的數據傳輸是在傳感器節點、智能網關以及客戶端（Web端）之間進行，煤礦安全監測系統的數據傳輸方式如下：

1） 傳感器節點通過LoRa無線網絡與智能網關進行組網，協調器通過串口與智能網關進行數據通信。

2） 傳感器采集的數據通過LoRa無線網絡發送給協調器，協調器通過串口將數據轉發給智能網關，然后將數據推送給所有連接到智能網關的客戶端。

3） 客戶端（Web端）應用通過調用平臺數據接口，實現實時數據采集，上報，監測預警等功能。

4.2 系統功能模塊設計

在基于LoRa無線傳感網絡的煤礦安全監測系統軟件設計中包含：運營界面、ID/KEY驗證、歷史數據查詢、閾值設置及系統設置，各項功能用途如下：

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

ID/KEY驗證：設置系統訪問權限，保障采集數據安全性。在Web登錄界面輸入ID/KEY，與系統設置信息校對，如校對信息正確，則可進入運營界面，查看實時系統數據信息。

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

閾值設置：當采集數據超過閾值時，系統進行異常警報。

系統設置：通過系統界面設置，完成系統ID/KEY的訪問權限管理及系統服務器地址。

5 系統驗證

通過上述硬件及軟件實現設計功能，完成了基于LoRa無線傳感網絡的煤礦安全監測系統設計。為了驗證該設計是否能滿足煤礦井下的環境監測功能，進行模擬實驗，分別選取三個測試節點進行48h仿真，通過仿真數據確定該設計達到預期要求。礦井環境監測平臺Web系統圖如圖4所示。

6 結束語

針對礦井環境復雜且不易人工監測，傳統的人工信息監測法已經無法保障信息及時傳遞及井下安全，本文基于LoRa無線傳感網絡的煤礦安全監測系統設計實現了對礦井下的環境數據進行采集以及警報裝置的控制，通過HTML5技術實現了Web端的應用設計，能夠根據傳感器實時采集到的數據對LED、蜂鳴器及風扇進行控制，通過模擬實驗驗證了基于LoRa的煤礦安全監測系統設計安全可靠。

參考文獻：

[1] 武風波，呂茜彤.基于嵌入式的井下環境監測系統設計[J].現代電子技術，2019，42（13）：42-46.

[2] 曾維，余欣洋，江禮東，等.一種無線傳感網的多功能傳感器終端系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2020，20（6）：30-33.

[3] 王心海.基于無線傳感網的嵌入式遠程測控系統研究[J].科學技術創新，2018（9）：69-70.

[4] 孫穎妮.自組網通訊技術在應急救援領域應用探析[J].中國應急管理，2018（12）：54-55.

[5] 陳晨.面向邊緣計算的QoS約束路由與信道分配方法研究[D].天津：天津理工大學，2019.

[6] 李清河，徐軍，高婷婷，等.干旱荒漠區EC-5土壤水分傳感器的校準和應用[J].中國農業氣象，2012，33（1）：54-58.

[7] 王金環，薛澤輝，李春祥.基于物聯網的油井智能監測系統研究[J].電腦知識與技術，2020，16（30）：226-227.

【通聯編輯：梁書】