基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井水在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊宏偉 劉萍 李青山 卓源璟 權(quán)格非 韓宇琦

引言

礦井水是伴隨礦產(chǎn)開采過程中產(chǎn)生的地下涌水，受井下煤炭開采和人為活動的影響，礦井水極易受到污染，若不經(jīng)過處理直接排放，勢必會對環(huán)境造成污染，同時造成水資源浪費。因此，對礦井水進行監(jiān)測處理再利用，達到環(huán)境效益和經(jīng)濟效益的統(tǒng)一，具有較強的現(xiàn)實意義[1-2]。

在礦井水的監(jiān)測過程中，保持通信暢通、快速是一個重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)有的礦井無線通信技術(shù)主要包括漏泄通信、ZigBee、Wi-Fi等，基于上述技術(shù)的礦井無線通信系統(tǒng)和產(chǎn)品已應(yīng)用于礦井監(jiān)控、運輸調(diào)度、信號聯(lián)絡(luò)等方面[3-6],無線性能和覆蓋范圍相對穩(wěn)定，系統(tǒng)整體可靠性高，但存在安裝要求相對復(fù)雜、設(shè)備功耗大等問題，受通信距離、功耗、接入點數(shù)量等因素影響，在環(huán)境相對惡劣、數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的區(qū)域，現(xiàn)有礦井無線通信技術(shù)應(yīng)用效果不理想[7-10]。

LoRa通信技術(shù)是近年來蓬勃發(fā)展的一種遠距離無線通信技術(shù)，采用直序擴頻方式[11]，抗干擾性強，接收靈敏度高，已成為遠距離、低功耗、大規(guī)模組網(wǎng)通信的理想技術(shù)，廣泛應(yīng)用于機器人控制、安防系統(tǒng)、智慧交通等領(lǐng)域[12-13]。LoRa的優(yōu)越性在礦井通信中得到驗證[14]。為了實現(xiàn)礦井水實時量質(zhì)信息的采集、傳輸和存儲，本文設(shè)計了一套基于LoRa的礦井水物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)，對礦井水量質(zhì)參數(shù)進行在線監(jiān)測。經(jīng)實際測試與分析，該系統(tǒng)可以滿足高速穩(wěn)健、低功耗、低時延的要求，提高了礦井水監(jiān)測回收利用的效率。

一、在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包括無線采集系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)和在線監(jiān)測終端三部分。無線采集系統(tǒng)由量質(zhì)傳感器、多路信號采集器、LoRa節(jié)點組成；物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)由帶工業(yè)路由器的集中器、節(jié)點、本地通信服務(wù)器組成，互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)通過路由器與采集系統(tǒng)通信；在線監(jiān)測終端包含調(diào)度中心監(jiān)測平臺，可提供遠程監(jiān)測和其他移動設(shè)備監(jiān)測，調(diào)度中心監(jiān)測平臺對數(shù)據(jù)進行清洗、存儲、備份、分發(fā)，供監(jiān)控主機、用戶以及其他移動端使用。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

二、在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集是礦井水在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。結(jié)合納林河二號礦的礦井水的復(fù)用標準，本文采用的量質(zhì)傳感器如圖2所示，包括PH傳感器、SS傳感器、液位傳感器、水中油傳感器、電導(dǎo)率傳感器等。

其輸出信號為電流/電壓信號，多路信號采集器根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)下發(fā)的通信指令采集傳感器信號，并對采集數(shù)據(jù)進行整合，將數(shù)據(jù)打包、發(fā)送至目標通信服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建中所涉及量質(zhì)傳感器以及數(shù)據(jù)傳輸模塊如圖2和圖3所示。

圖2 量質(zhì)傳感器

圖3 多路信號采集器

（二）LoRa無線通信模塊

LoRa集中器與節(jié)點建立星型組網(wǎng)無線采集系統(tǒng)[15]，由集中器下發(fā)采集指令，節(jié)點上報數(shù)據(jù)采集內(nèi)容形成穩(wěn)定、快速的無線通信鏈路。通過自定義LoRa私有通信協(xié)議，來完成所有組網(wǎng)通信。工作機制為：LoRa集中器定時輪詢-節(jié)點被動輪詢-依次上報節(jié)點數(shù)據(jù)。

LoRa節(jié)點采用的是USR-LG206-L-C，該設(shè)備支持集中器通信協(xié)議，實現(xiàn)外部串口設(shè)備和LoRa集中器的互轉(zhuǎn)通信，負責(zé)維護連接網(wǎng)絡(luò)與云端服務(wù)器通信，接收從無線傳感器節(jié)點發(fā)送的消息并將它們發(fā)送到服務(wù)器，具有功率密度集中，抗干擾能力強的優(yōu)勢，實物圖見圖4。集中器采用的是USR-LG220-L，集中器通過USR私有協(xié)議實現(xiàn)與LoRa節(jié)點自由組網(wǎng)、與服務(wù)器實時通信，為礦井水監(jiān)測設(shè)備提供了遠距離、低功耗的數(shù)據(jù)通信保障。

（三）在線監(jiān)測平臺

在礦井水處理流程的基礎(chǔ)上，本文搭建了礦井水在線監(jiān)測平臺，實現(xiàn)礦井水處理過程中的量質(zhì)變化和調(diào)度信息、設(shè)備狀態(tài)等信息的可視化。

為了使礦井水監(jiān)測信息得到更加直觀地顯示，礦井水在線監(jiān)測平臺的系統(tǒng)界面共分為1個主界面和8個二級界面。礦井水在線監(jiān)測平臺主界面如圖4所示，主界面動態(tài)顯示了礦井水處理流程、重要監(jiān)測指標（液位、電導(dǎo)率、SS、PH）的實時數(shù)據(jù)變化和開關(guān)閥狀態(tài)信息等；8個二級界面由5個監(jiān)測水池界面和3個數(shù)據(jù)分析界面構(gòu)成，可以實現(xiàn)各個水池的監(jiān)測以及歷史曲線、歷史報表、閾值報警的展示。

圖4 監(jiān)測平臺主界面/井上監(jiān)測示意圖

三、在線監(jiān)測系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計

（一）大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

為了實現(xiàn)礦井水處理過程中人、機、物的互聯(lián)互通，對感知和傳送到的數(shù)據(jù)、信息進行分析處理，實現(xiàn)監(jiān)測與控制的智能化，做到整體感知、可靠傳輸、智能處理，本文設(shè)計了基于礦井水在線監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)。大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)邏輯示意圖如圖5所示。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)源傳感檢測、無線采集模塊在線采集、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通信、現(xiàn)場監(jiān)控平臺、智能分析和遠程監(jiān)控完成。

圖5 礦井水大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)邏輯示意圖

（二）大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)

為了實現(xiàn)大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)下的在線監(jiān)測，本項目搭建了一套大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)。整套硬件系統(tǒng)分為五個部分，如圖6。從空間布局上看，在本地，分為三個部分：LoRa節(jié)點、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場監(jiān)控平臺；在遠程，分為兩個部分：智能分析平臺、遠程監(jiān)控主機。

圖6 大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)場的傳感設(shè)備采集到DBT水質(zhì)水量、OAT水質(zhì)水量、9路用水點水量等現(xiàn)場量質(zhì)數(shù)據(jù)，通過RS485/232通訊傳送到具備LoRa節(jié)點功能的模擬量采集器，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)為LoRa集中器與節(jié)點建立的星型組網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)。現(xiàn)場監(jiān)控平臺包括通信服務(wù)器和本地監(jiān)控主機。對礦井水量質(zhì)信息進行實時顯示，進行本地數(shù)據(jù)清洗、存儲、備份。智能分析平臺采用的是計算型C3百度云服務(wù)器、2核4G百度云數(shù)據(jù)庫，可以結(jié)合水質(zhì)水量標準，將數(shù)據(jù)進行持續(xù)累加和比對。遠程監(jiān)控主機可以異地監(jiān)控礦井水處理系統(tǒng)，并可以提供手機、筆記本、工作臺等多種遠程接入方式。

（三）大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)

在物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)下，功能實現(xiàn)的程序流程如圖7所示，調(diào)度中心服務(wù)器經(jīng)由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與無線采集系統(tǒng)建立連接并下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令，采集系統(tǒng)響應(yīng)采集指令上傳數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有水質(zhì)水量數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)兩種類型，前者為監(jiān)測對象，后者為系統(tǒng)狀態(tài)信息，返回數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗存入本地數(shù)據(jù)庫。本地數(shù)據(jù)庫為調(diào)度中心提供在線監(jiān)測數(shù)據(jù)支持，同時，本地數(shù)據(jù)庫進行云數(shù)據(jù)庫備份，用云服務(wù)器計算中心進行大數(shù)據(jù)計算，并為遠程和移動設(shè)備提供在線監(jiān)測數(shù)據(jù)支持。

圖7 程序流程圖

四、系統(tǒng)測試與分析

根據(jù)納林河二號礦的用水標準和處理工藝中的水質(zhì)水量變化，在礦井水工藝流程模型搭建的基礎(chǔ)上，測試了礦井水在線監(jiān)測系統(tǒng)。實驗選取礦井水處理工藝中的復(fù)用水池、高位水池、中間水池、調(diào)節(jié)預(yù)沉池和清水池為在線監(jiān)測對象，監(jiān)測電導(dǎo)率，SS，pH和液位等信息，監(jiān)測時間為1小時。為了方便進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，在實驗前加入純凈水，實驗開始后添加高濃度礦井水，觀察礦井水在線監(jiān)測平臺界面的變化情況。

測試結(jié)果如圖8所示，結(jié)果表明，在線監(jiān)測平臺能夠?qū)崟r反映礦井水的工藝流程的量質(zhì)信息變化。

圖8 礦井水監(jiān)測調(diào)節(jié)預(yù)沉池詳情圖

本地調(diào)度中心監(jiān)測平臺對礦井水量質(zhì)信息進行實時顯示，通信服務(wù)器既可以進行本地數(shù)據(jù)清洗、存儲、備份，也可以將數(shù)據(jù)傳入遠程云服務(wù)器，從而進行數(shù)據(jù)的分析運算工作，在異地進行實時監(jiān)測，對監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備運行控制，時效性、可靠性高。如圖9。

圖9 服務(wù)器監(jiān)測數(shù)據(jù)

結(jié)語

結(jié)合納林河二號礦井下—地面協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計需求，本文設(shè)計的基于LoRa的礦井水物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)礦井水實時量質(zhì)信息的采集、傳輸、存儲，該系統(tǒng)可快速、準確地反映礦井水動態(tài)變化情況，滿足高速穩(wěn)健、低時延、高精度、低功耗、高穿透性的要求，保證礦井水循環(huán)使用的高質(zhì)量運行，提高了礦井水回收利用的效率，并通過數(shù)據(jù)的清洗和分發(fā)，能夠為礦井水調(diào)度大數(shù)據(jù)泛化訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)支持。