基于LoRa技術的礦井數據監測系統的設計與研究

韓團軍 尹繼武 趙增群 王楷

摘 ?要： 為了解決傳統礦井數據監測系統組網復雜、傳輸距離短和高功耗等問題，提出一種基于LoRa技術的礦井數據監測系統。該系統利用LoRa無線通信技術組建數據傳輸網絡，包含監測節點和匯總節點。監測節點可以實現多點、多種環境數據的監測，匯總節點接收所有監測節點的數據，然后將數據打包處理后經GPRS模塊上傳至服務器。利用C#語言開發的上位機可以實現對監測數據的保存以及實時顯示。經測試，該系統能夠實時準確監測礦井環境數據，運行穩定可靠，可以滿足礦井環境監測的需求。

關鍵詞： 礦井數據監測; LoRa技術; 數據傳輸; 環境監測; 數據保存; 系統測試

中圖分類號： TN709?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）20?0160?04

Design and research of mine data monitoring system based on LoRa technology

HAN Tuanjun， YIN Jiwu， ZHAO Zengqun， WANG Kai

（Department of Physics & Telecommunications Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， China）

Abstract： A mine data monitoring system based on LoRa technology is proposed to solve the problems of complex networking， short transmission distance and high power dissipation. The LoRa wireless communication technology is used in the system to build data transmission network， including monitoring nodes and gather nodes. The monitoring nodes can be used to monitor multipoint and multiple environmental data. The gather nodes can be used to receive data from all the monitoring nodes， and the data is packaged and uploaded to the server by GPRS module. The upper computer developed by C# language can save and display the monitoring data in real time. The test results show that the system can accurately monitor the mine environment data in real time， runs stably and reliably， and can meet the needs of mine environment monitoring.

Keywords： mine data monitoring; LoRa technology; data transmission; environment nomitoring; data storage; system testing

煤炭是我國主要的戰略資源，在國家經濟建設中的地位十分重要，然而在煤炭的生產過程中受煤礦煤層條件、礦井的環境條件、生產技術裝備條件的限制，使得煤礦井下作業一直存在著諸多安全隱患，嚴重影響煤炭生產者的安全，如何有效監控井下安全已成為煤礦生產的關鍵問題。隨著物聯網技術的不斷發展，已有煤礦裝備了無線式數據監測系統，但現有的無線傳輸方式監測系統組網和協議比較復雜，系統存在著傳輸距離短、功耗高和抗干擾差等缺點[1?4]。

本文提出一種基于LoRa技術的礦井數據監測系統，利用LoRa無線通信技術組建數據傳輸網絡，包含監測節點和匯總節點。監測節點可以實現多點、多種環境數據的監測，匯總節點接收所有監測節點的數據，然后將數據打包處理后經GPRS模塊上傳至服務器。利用C#語言開發的上位機可以實現對監測數據的保存以及實時顯示。整個系統設計和組網簡單，能夠實時準確顯示環境檢測數據，運行穩定可靠，可以滿足礦井安全生產環境監測和有效管理的要求。

1 ?系統結構設計

整個系統可以分為監測節點和匯總節點兩部分，監測節點由STM32控制器、多傳感器和LoRa組成，STM32驅動各傳感器采集數據并通過LoRa模塊發送給匯總節點。匯總節點由STM32控制器、LoRa模塊和GPRS模塊組成，STM32控制器將LoRa模塊接收到的數據打包處理后通過串口通信傳輸給GPRS模塊，GPRS模塊負責將數據上傳至服務器，服務器端上位機軟件對數據進行解包、顯示和保存。整個系統的結構如圖1所示。

圖1 ?礦井監測系統結構圖

2 ?系統硬件設計

整個系統可以按照對信號的處理劃分為三部分，分別是監測節點、匯總節點、網關節點。監測節點包括處理器模塊、LoRa無線通信模塊、溫濕度傳感器模塊、氣體傳感器模塊、風速傳感器模塊、火焰傳感器模塊以及電源模塊，監測節點負責采集數據并通過LoRa模塊發送給匯總節點，匯總節點包括處理器模塊、LoRa無線通信模塊、TTL/RS 485模塊，負責數據打包后傳輸給網關節點，網關節點包括STM32處理器、TTL/RS 485模塊負責數據的上傳。整個系統的硬件框圖如圖2所示。

圖2 ?系統硬件框圖

2.1 ?電源模塊電路設計

電源供電需要5 V和3.3 V兩路電源。控制器采用3.3 V供電，整個系統供電為5 V，為了保證電源設計輸出穩定，采用AMS1117穩壓芯片設計。該芯片設計外圍電路簡單，輸出精度高，同時紋波較小[5?6]。供電電路如圖3所示。

2.2 ?氣體傳感器電路設計

MQ?5型氣體傳感器電路設計十分簡單，在電路中需要對傳感器添加加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC），可將電導率的變化轉換成相對應的電壓值輸出。DOUT為TTL信號輸出端，AOUT則是模擬電壓的輸出端。當待測氣體的濃度達到閾值時，則會輸出高電平，電位器R8可以改變閾值的大小。模擬量電壓輸出值與氣體的濃度呈線性關系，電壓越高則濃度越高。電路圖圖4。

圖3 ?電源電路

圖4 ?氣體傳感器電路

2.3 ?GPRS模塊電路設計

GPRS模塊電路由SIM900芯片、SIM卡電路、天線電路以及啟動電路組成。

3 ?系統軟件設計

整個系統軟件主要包括監測節點軟件設計、匯總節點軟件設計和上位機軟件設計。

3.1 ?監測節點軟件設計

檢測節點由STM32微控制器、多傳感器、LoRa模塊組成，SHT30和STM32之間通過I2C總線通信，MQ?5和風速傳感器的數據通過STM32內部ADC模塊讀取，火焰傳感器的五路數據直接由I/O口讀取，LoRa模塊和STM32控制器之間通過串口通信，程序流程圖見圖5。

3.2 ?匯總節點軟件設計

匯總節點由STM32微控制器、LoRa模塊和TTL/RS 485模塊組成，其主要功能是接收所有監測節點的數據，然后將所有數據打包處理，經RS 485總線發給網關節點。LoRa模塊和TTL/RS 485模塊都是通過串口和STM32通信，所以在匯總節點部分需要用到STM32內部的USART模塊。

圖5 ?監測節點程序框圖

STM32和LoRa模塊之間使用USART1，STM32和TTL/RS 485模塊之間使用USART2。USART1采用中斷方式采集數據，一旦有數據傳入則會觸發中斷，串口每中斷一次發送一個8位數據，數據會保存在緩沖寄存器中，在串口中斷處理函數中將緩沖寄存器中的數據保存到一個數組中，接收完一幀數據關閉串口1中斷，使用串口2發送數據。為了區分不同節點的數據，程序規定每個監測節點發送的數據格式為：節點號+數據+結束標志符。所以在匯總節點要對不同節點數據進行識別，如果接收到的是數據節點號，則表示要開始一幀數據的接收，此時將數據接收標志位置1;如果接收到的是結束標志符，則表示一幀數據的接收已結束，此時將數據接收標志位置0，將數據接收完成標志位置1。主程序中判斷到數據接收完成標志位置1后會禁止串口1中斷，此時轉入串口2發送，利用串口2發送函數將數組中的數據發給TTL/RS 485模塊，然后經由RS 485總線將數據發送給網關模塊。其程序流程圖如圖6所示。

3.3 ?上位機軟件設計

上位機和服務器之間基于TCP協議通信[7?11]。TCP協議進行信息的傳輸和獲取時都是經一個端口進行通信的。低于1 024的端口是公共端口，由IANA分配，1 024～65 535是沒有公共定義的端口，用戶可以自己定義這些端口。上位機軟件利用Visual Studio開發平臺完成，通過C# .NET的窗體應用程序開發中若干類庫設計出的一個軟件整體。本系統上位機軟件主要由三部分組成：軟件參數設置模塊、數據接收及顯示模塊、數據處理及繪圖模塊。詳細模塊功能如圖7所示。

圖6 ?匯總節點程序框圖

圖7 ?上位機功能模塊圖

4 ?系統測試及分析

4.1 ?系統測試終端

系統軟、硬件設計完成后，為了驗證系統的可行性，搭建了一個實驗測試平臺。為了簡化測試條件，整個測試平臺包括2個監測節點、匯總節點、網關節點以及阿里云服務器。監測節點搭載溫濕度傳感器、氣體傳感器、風速傳感器和火焰傳感器，匯總節點經RS 485總線和網關節點連接。

4.2 ?監測數據采集

測試中設計了兩個監測點設置在礦井采煤工作區，測試過程主要是驗證本系統的網絡結構，LoRa通信方式能否滿足井下通信需求，能否實現準確可靠地顯示環境監測數據。通過驗證，整個系統能正常工作，通過服務器可以讀出礦井環境中的溫濕度、瓦斯濃度變化以及通道里的風速值。

5 ?結 ?語

本文采用LoRa技術設計了一種無線礦井數據監測系統，實現了礦井環境數據信息的實時監測，通過對系統的實地調試，證明該系統能夠精確測量礦井環境參數，可以被廣泛應用于煤礦安全監測系統中，系統設計靈活、網絡拓撲結構簡單、傳輸距離遠而且功耗極低。同時該系統具有良好的準確性，可以被廣泛推廣。

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