基于LoRa的低功耗瓦斯濃度分布式監測系統設計

潘曉博

(徐州工程學院 信息工程學院， 江蘇 徐州 221008)

0 引言

由于瓦斯濃度過高導致的煤礦安全生產事故常常會造成大量的人員傷亡和經濟損失，因此，煤礦瓦斯濃度的檢測對于預防煤礦瓦斯災害事故、保障礦工生命和礦井財產安全具有重要意義[1-4]。

瓦斯檢測傳感器類型主要包括催化燃燒型、光干涉型、紅外吸收型、熱導型等[5]。目前，礦用光纖甲烷傳感器和催化燃燒式甲烷傳感器應用廣泛。其中，催化燃燒式甲烷傳感器通過惠斯通電橋測量電阻變化值，實現甲烷濃度檢測[6-7]，具有成本低、使用方便、精度較高和檢測范圍大等優點，但存在功耗較高的缺點[8-9]。

針對該問題，本文基于甲烷檢測用載體催化元件，結合低功耗嵌入式系統和LoRa無線通信技術[10]，設計了一種低功耗瓦斯濃度分布式監測系統。該系統能夠克服傳統有線瓦斯濃度監測系統安裝成本高、擴展性和靈活性差、維護工作量大等缺點[11-12]，同時，可盡可能降低系統功耗，實現遠程瓦斯濃度實時采集，為煤礦井下瓦斯災害預警提供重要的數據支持。

1 系統架構設計

基于LoRa的低功耗瓦斯濃度分布式監測系統分為數據采集層、傳輸層和后臺服務端3個部分，其架構如圖1所示,n為采集節點總數。

圖1 基于LoRa的低功耗瓦斯濃度分布式監測系統架構Fig.1 Structure of low-power distributed gas concentration monitoring system based on LoRa

數據采集層由低功耗瓦斯濃度采集節點和LoRa智能網關構成。根據實際監測需要，可靈活確定瓦斯濃度采集節點的位置和數量。瓦斯濃度采集節點與LoRa智能網關之間可雙向通信，實現瓦斯濃度數據上傳與服務端指令下發。

傳輸層由煤礦井下工業以太網構成。LoRa智能網關可通過多種通信方式(WiFi，CAN總線，RS485總線和以太網)與傳輸層通信，將瓦斯濃度數據匯入工業以太網后上傳至后臺服務端。后臺服務端可通過傳輸層下發相關控制指令到數據采集層。

后臺服務端由服務器、備用服務器及上位機軟件組成。根據實際應用需求，后臺服務端可下發控制指令，實時調整瓦斯濃度預警閾值、瓦斯濃度采集周期及瓦斯濃度采集節點相關配置參數等。

2 系統硬件設計

2.1 低功耗瓦斯濃度采集節點硬件設計

低功耗瓦斯濃度采集節點主要包括單片機核心系統模塊、電源管理模塊和通信模塊(LoRa無線通信、串口通信)，采用電池供電，其結構如圖2所示。

圖2 低功耗瓦斯濃度采集節點硬件結構Fig.2 Hardware structure of low-power gas concentration collection node

2.1.1 核心系統模塊

核心系統模塊主要包括單片機、催化甲烷傳感器電路模塊、Flash模塊、電量檢測模塊、按鍵模塊、聲光報警模塊和指示燈。

采用超低功耗系列單片機STM32L151CBT6，工作頻率為32 kHz～32 MHz，可運行于待機模式(2種)、停止模式(2種)、低功耗運行模式、動態運行模式6種模式，具有豐富的外設，能夠滿足系統設計需求。Flash模塊采用W25Q64芯片，用于存儲軟硬件版本信息及服務器下發至采集節點的瓦斯濃度報警閾值。電量檢測模塊采用CW2015電量計芯片檢測供電鋰電池的電量。聲光報警模塊由有源蜂鳴器和LED燈構成，當采集到的瓦斯濃度高于報警閾值時，啟動聲光報警。

催化甲烷傳感器電路模塊采用煤礦甲烷檢測用載體催化元件MJC4/2.8J[8]與補償元件構成測量電橋，采用恒流驅動。載體催化元件兩端阻值會隨氣體濃度升高而增大，橋路電壓隨氣體濃度升高而線性增大。通過高精度模數轉換芯片CS1238(24位ADC)采集電壓值，結合數據處理算法，得出瓦斯濃度。MJC4/2.8J甲烷檢測用載體催化元件如圖3所示，催化甲烷傳感器電路如圖4所示。

圖3 MJC4/2.8J甲烷檢測用載體催化元件Fig.3 MJC4/2.8J carrier catalytic element for methane detection

圖4 催化甲烷傳感器電路Fig.4 Catalytic methane sensor circuit

2.1.2 通信模塊

通信模塊包括LoRa無線通信模塊和串口通信模塊。LoRa無線通信模塊型號為E22-400T30D，以新一代LoRa射頻芯片SX1268為核心，在抗干擾性與通信距離方面得到了進一步提升，在功耗上也有出色的表現。LoRa無線通信模塊與單片機間采用串口通信，接口電路如圖5所示。串口通信模塊采用CH340G芯片實現串口TTL(晶體管-晶體管邏輯電平)信號轉USB，可用于催化甲烷傳感器標校等參數調整。

圖5 LoRa無線通信模塊接口電路Fig.5 Interface circuit of LoRa wireless communication module

2.1.3 電源管理模塊

電源管理模塊包括3.7 V磷酸鐵鋰電池和電源管理模塊，磷酸鐵鋰電池采用系統外單獨充電設備進行充電。為滿足系統功能要求，同時盡可能降低功耗，將系統電源分為3個部分進行管理，如圖6所示。

圖6 電源管理模塊結構Fig.6 Structure of power management module

第1部分電源由SGM2040-3.3 V芯片將輸入的3.7 V電壓轉換為3.3 V，對STM32L151單片機核心系統進行供電。SGM2040-3.3 V電源芯片具有電壓輸出使能端，功耗低且成本低，能夠很好地滿足硬件設計需求。

第2部分電源為LoRa無線通信模塊、串口通信模塊、Flash、電量檢測模塊、聲光報警模塊、差分放大器和AD采集電路供電。為合理有效地使用電源，設計了基于MOS(場效應管)的電源開關電路，在單片機的控制下實現電源通斷，進而有效降低系統功耗。基于MOS的電源開關電路如圖7所示。

圖7 基于MOS的電源開關電路Fig.7 MOS-based power switch circuit

第3部分電源專為甲烷檢測用載體催化元件供電，通過SGM2040-2.8 V芯片提供2.8 V電源。該芯片也具有電壓輸出使能端，可方便實現電源輸出控制。為使采集節點硬件符合煤礦井下使用要求，還需對電源管理模塊進行本安設計。

2.2 LoRa智能網關硬件設計

LoRa智能網關主要包括單片機STM32F103核心系統模塊、通信模塊和電源管理模塊，如圖8所示。

圖8 LoRa智能網關硬件結構Fig.8 Hardware structure of LoRa intelligent gateway

(1) STM32F103核心系統模塊。主要包括單片機、Flash模塊、電量檢測模塊、按鍵模塊和聲光報警模塊。單片機采用的是STM32F103VET6芯片，該系列芯片采用ARM Cortex-M3內核，具有豐富的外設，能夠滿足系統設計需求。Flash模塊、電量檢測模塊及聲光報警模塊的硬件設計與瓦斯濃度采集節點相同。

(2) 通信模塊。為了使智能網關能夠更靈活地接入井下工業以太網，設計了WiFi通信、以太網通信、RS485總線通信和CAN總線通信4種通信方式。其中，WiFi通信模塊采用的是ESP8266模塊，支持IEEE 802.11 b/g/n，通過串口與單片機通信，使用AT指令驅動。以太網通信模塊采用W5500以太網芯片，該芯片通過SPI接口與單片機進行通信，具有應用簡單、可靠性高和安全性好等優勢。RS485總線通信模塊采用SP3485芯片作為收發器，CAN總線通信模塊采用TJA1050芯片作為收發器。此外，智能網關還包含LoRa無線通信模塊和串口通信模塊，其中，LoRa無線通信模塊用于和瓦斯濃度采集節點進行通信，串口通信模塊用于輸出系統調試信息等，這2個模塊的硬件設計與瓦斯濃度采集節點相同。

(3) 電源模塊。智能網關采用12 V本安電源供電，電源模塊對12 V電壓進行2次降壓處理，分別得到5 V和3.3 V電壓，為智能網關中各硬件模塊供電。為使智能網關硬件符合煤礦井下使用要求，還需對電源模塊進行本安設計。

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括低功耗瓦斯濃度采集節點軟件設計和LoRa智能網關軟件設計2個部分，均在Keil MDK 5.25集成開發環境下用C語言開發。

3.1 低功耗瓦斯濃度采集節點軟件設計

低功耗瓦斯濃度采集節點軟件設計主要包括瓦斯濃度采集驅動、Flash讀寫驅動、電量采集驅動、聲光報警驅動、串口通信驅動、電源開關驅動、LoRa無線通信模塊驅動等設計。采集節點與智能網關之間采用標準的Modbus-RTU協議進行數據交互。采集節點軟件流程如圖9所示。

(1) 進行硬件系統外設初始化與系統自檢，若系統正常則與智能網關通信，發送在線報文;若系統異常則進行聲光報警，并重新進行硬件初始化。

圖9 瓦斯濃度采集節點軟件流程Fig.9 Software process of gas concentration collection nodes

(2) 監測到智能網關下發數據后進行數據指令解析，更新相關參數和報警閾值；若未接收到數據報文，則按照系統定時間隔采集瓦斯濃度數據。

(3) 進行瓦斯濃度超限報警判斷，若瓦斯濃度正常，則進入低功耗模式，否則啟動聲光報警。

3.2 LoRa智能網關軟件設計

為更好地接收和處理LoRa網絡數據，利用嵌入式實時操作系統μC/OS-II[8]對網關各功能任務進行合理調度，使網關性能達到最優，提高CPU的利用率。嵌入式實時操作系統能夠減少應用程序開發的工作量，提高系統調度效率和便捷度，增強可維護性，便于軟件后期更新。

LoRa智能網關的主程序流程如圖10所示，在多任務調度執行環節中，根據任務優先級來進行調度，切換執行不同任務。智能網關中的任務分配如圖11所示。在實際使用過程中，可根據煤礦井下網絡環境選擇一種通信方式，根據通信協議編寫對應的通信任務函數，將采集到的瓦斯濃度數據匯入工業以太網中。

圖10 LoRa智能網關主程序流程Fig.10 Main program flow of LoRa intelligent gateway

圖11 LoRa智能網關任務分配Fig.11 Task assignment of LoRa intelligent gateway

4 系統測試

4.1 數據傳輸性能測試

在江蘇省徐州市云龍山隧道開展數據傳輸性能測試，分別配置2、5、10個采集節點進行數據采集，測試數據丟包率和報警數據上報時延。取隧道中段600 m范圍，將智能網關布置于中點位置，采集節點等間隔布置在600 m范圍內。上述3種情況下的數據丟包率和報警數據上報時延數據見表1。

表1 丟包率與報警數據上報時延測試結果Table 1 Test results of packet loss rate and alarm data reporting delay

從表1可知，一次性發送50和100個數據包時，數據上報時延均低于100 ms；在采集節點為2個和5個的情況下，丟包率不高于2%；隨著采集節點增多，丟包率上升，但不超過4%。測試結果表明，瓦斯濃度采集節點具有較好的數據傳輸性能，能夠滿足實際應用場景下的數據傳輸需求。

4.2 瓦斯濃度采集節點低功耗性能測試

采用3.7 V，10 A·H鋰電池供電，測試4種情況下瓦斯濃度采集節點實時消耗的電流：① 系統中所有模塊均通電，LoRa無線通信模塊無數據收發；② 系統中所有模塊均通電，LoRa無線通信模塊發送數據；③ 系統中所有模塊均通電，LoRa無線通信模塊接收數據；④ 系統中單片機核心系統工作在待機狀態下，其余外設模塊電路電源關閉。上述4種情況下的低功耗性能測試結果見表2。

表2 低功耗性能測試結果Table 2 Test results of low-power performance

從表2可知，系統在不同工作狀態下的電流消耗不同，第4種情況下的電流明顯低于其他3種情況。測試結果表明，利用單片機核心系統的待機工作狀態和各模塊供電開關，將能夠有效降低采集節點的平均電流，從而延長電池使用時間，降低系統維護工作量。因此，本文設計了如下功耗控制策略：

(1) 單片機核心系統采用低功耗模式(包括定時待機模式、定時睡眠模式和低功耗運行模式)，根據實際使用需求設定相關模式，以降低功耗。

(2) MJC4/2.8J甲烷檢測用載體催化元件采用動態通電方式，以降低平均電流。由于該傳感器功耗較大，若始終保持供電狀態，則持續電流消耗較大。因此，可采用間斷供電方式，例如，每通電5 s后，斷電10 s，再通電，如此周期性循環。

(3) 采集節點中除單片機核心系統外的其他模塊按需供電。當需要使用到某模塊時，打開該模塊供電開關，使用完畢后，斷開供電開關。

設定MJC4/2.8J甲烷檢測用載體催化元件采用通電5 s、斷電10 s的動態通電方式，單片機核心系統采用定時待機模式(待機30 s后，運行30 s，再進入待機模式)，對功耗控制策略的效果進行測試，結果表明，采集節點平均電流下降至約105 mA，與第2種情況(平均電流約為230 mA)相比，電池使用壽命延長了1倍。

5 結論

(1) 數據傳輸性能測試結果表明，瓦斯濃度采集節點具有較好的數據傳輸性能，一次性發送50和100個數據包時，數據上報時延低于100 ms；隨著采集節點增多，丟包率上升，但不超過4%。

(2) 采用合理的功耗控制策略后，瓦斯濃度采集節點平均電流下降至約105 mA，與系統最大功耗狀態相比，平均電流降低了約50%，在固定容量電池供電情況下，電池使用壽命延長了1倍。

(3) 未對復雜通信環境與使用場景下系統的性能進行分析。因此，后期將從以下方面進一步研究：復雜通信環境中，不同頻段下的LoRa通信性能；LoRa組網方式對數據傳輸性能的影響；從改進通信機制角度優化功耗控制策略。