基于LoRa技术的矿山地质灾害监测预警系统设计

朱允伟，曹 巍，安平利，刘宏运

（北京荣创岩土工程股份有限公司，北京 100000）

地质灾害的形成主要受到人为因素和自然因素影响，由于人类活动对地质结构造成破坏，改变了原有的地形、地貌以及地质结构，打破了原有的地质平衡从而引发地质灾害。此外地质灾害还会收到降雨、刮风等自然条件影响，具有关数据统计，绝大多数地质灾害的发生与自然降雨有关，地质灾害常发生于坡度较大、土质较松软的区域，自然降雨对地质表面造成一定的冲刷力，在强降雨的冲刷下地势较高的岩体和土壤向下运动，形成泥石流、山体滑坡等地质灾害[1]。地质灾害发生较多的地区为矿山，一旦地质灾害发生没有及时得到及时预测和控制，将会造成严重的人员伤亡，因此对矿山地质灾害监测预警是非常有必要的。目前对于矿山地质灾害监测预警所采取的手段和技术为监测预警系统，通过开发和设计出符合矿山实际情况的地质灾害监测预警系统，对未来矿山地质灾害发生几率进行预测。但是目前现有的系统在硬件方面和软件方面设计不够合理，在实际应用中经常出现预警延迟，不能够及时监测预警出矿山地质灾害，为此提出基于LoRa技术的矿山地质灾害监测预警系统设计。融合LoRa技术设计开发出一套新的监测预警系统，为矿山地质灾害监测预警提供有利的参考依据。

1 基于LoRa技术的矿山地质灾害监测预警系统硬件设计

此次在原有系统硬件基础上增加了预警器，根据基于LoRa技术的矿山地质灾害监测预警系统设计需求，对预警器进行了选型及设计，其具体设计如下。预警器的作用是当系统检测到矿山可能发生地质灾害时会自动发出报警信号，起到矿山地质灾害预警提示作用，根据矿山地质灾害监测预警需求，此次选用上海KIJ公司生产的DSD66141WRA型号预警器，该预警器有红黑、黄白、蓝白三种接线，其中红黑接线表示电源信号，黄白接线表示常开信号，蓝白接线表示常闭信号。

该预警器的工作温度最高可以承受80℃，最低可以承受零下35℃，可以满足矿山恶劣的气候环境[2]。并且该预警器内含266SDRFESD语音提示芯片，该芯片采用2.2V供电，可以利用内置广播实现多次数地质灾害警示语音播放、点动播放以及循环预警语音播放。当系统预测到矿山可能发生地质灾害时，DSD66141WRA预警器将以最大音量进行语音提示,提示内容可以自定义设置，也可以采用设备内存的语音提示。

根据系统预测到的地质灾害等级大小发出不同的警示光，当系统预测到矿山中可能发生大型地质灾害时，DSD66141WRA预警器将会发出红色警示光；当系统预测到矿山中可能发生中型地质灾害时，DSD66141WRA预警器将会发出黄色警示光；当系统预测到矿山可能发生小型地质灾害时，DSD66141WRA预警器将会发出蓝色警示光，根据发出不同的光提示矿山周围居民以及矿山工作人员地质灾害等级以及严重程度。结合此次设计系统的实际需求，设置DSD66141WRA预警器电阻值为84KΩ，采样频率为3.16KHz，语音播放时间为20s，将其安装在矿山四周高栏处，容易被人观看到的区域。

2 基于LoRa技术的矿山地质灾害监测预警系统软件设计

此次系统软件设计采用模块式设计方式，根据矿山地质灾害监测预警需求，设计了监测模块、预警模块、LoRa无线通讯模块三大功能模块，其具体设计如下。

在监测模块中设定了多个节点，每个监测点为一个模块节点，每个节点需要根据自身定时接收到来自系统上位机地质灾害数据采集命令，对监测区域范围内的所有地质数据进行采集，其中包括矿山水文地质数据、矿山岩土地质数据以及矿山降雨数据信息等。各个监测节点采集到的数据信号均为模拟量信号，每一个模拟量信号都有一个对应转换函数，利用对应的转换函数将采集到的模拟量数据进行ADC转换，并通过系统数据库对AD数据寄存器进行控制，自动将AD数据寄存器中的数据进行保存。每一种地质灾害在发生前都有一个变形的过程，其中最明显的变形为矿山地质变形，即矿山地质发生位移、倾斜角度变化等[3]。预测模块通过对节点采集到的地质数据分析，计算出矿山地质灾害发生几率，将数据库中矿山地质原始数据与节点监测数据进行对比分析，对矿山地质变形进行量化计算，其计算公式如下：

公式（1）中，R表示矿山地质变形量化值；k表示量化系数；e表示矿山原本地质坐标；e1表示目前矿山地质坐标；l表示矿山原本地质倾斜角度；l1表示目前矿山地质倾斜角度；n表示系统监测阶段序号。利用上述公式对矿山地质变形情况进行量化，并在监测模块中设定了一个变形阈值，一旦矿山地质变形量化值超出设定阈值，则表示矿山将会发生地质灾害。

监测模块将监测数据结果传输给预警模块，由预警模块发出预警提示，其中包括矿山地质灾害预计发生位置、发生时间等，预警模块接收到系统预警指令后将自动控制预警装置发出警报，提示周围居民及时撤离。

系统各个监测节点以及模块之间的通信主要依靠LoRa无线通讯模块实现，该模块设计采用了LoRa技术，利用LoRa技术接收到各个节点的数据，组成无线网络。由于系统各个节点数据频带宽度较小，这种类型的数据不利于通信，因此在LoRa无线通讯模块中利用LoRa技术的扩频调制功能对节点频道进行扩频，将发送信号调制成数字信号，发送给LoRa无线通讯模块中的扩频码发生器，通过扩频码发生器调制数字信号以展开信号的频谱，最后再利用LoRa无线通讯模块中的射频器将信号发生出去，以此实现LoRa无线通讯模块的通信功能。

3 实验论证分析

实验以某矿山为实验对象，该矿山面积为16943.26m²，矿山最大坡度为65.5°，雨季为每年的七月到九月，该矿山周围居民数据较多，并且在雨季期间地质灾害频发，常见的地质灾害有泥石流和山体滑坡，实验利用此次设计系统与传统系统对该矿山进行地质灾害预测预警。两个系统在Windows2008操作系统，16G硬盘环境中进行，根据该矿山实际情况，设定了150个监测点，安装的监测器数量为5个，并在矿山的周围四个角和中心地区安装了预警器。实验中将检测器的监测周期设定为15s，监测频率设定为2.56Hz，利用两级2.5V电池通过系统电源电路向各个监测器和报警器提供供电电压。实验时间为3个月，对三个月内矿山地质灾害进行监测预警，并对预警数据进行记录。实验期间矿山共发生地质灾害8起，利用OJH软件计算出两种系统对该8次地质灾害预警延迟时间，对两种系统进行对比分析，实验结果如下表所示。

表1 两个系统预警延迟时间对比（s）

从上表中可以看出，此次设计系统预警延迟时间较小，基本可以控制在1s以内，能够对矿山地质灾害进行及时的监测和预警；而传统系统预警延迟时间较长，最长延迟时间为21.25s。

因此实验证明了，此次设计系统相对于传统系统在预警及时方面具有明显的优势，更适用于矿山地质灾害监测预警。

4 结束语

本文在原有矿山地质灾害监测预警系统基础上，引入了LoRa技术，对原有系统的硬件和软件进行了完善与优化，提出一套新的矿山地质灾害监测预警系统设计理论。此次研究对提高矿山地质灾害监测预警技术水平具有重要的意义，同时对解决矿山地质灾害监测预警延时问题具有重要作用。