基于LoRa无线传感网络的煤矿安全监测系统设计

魏璁琪　雷妍

摘要：矿井环境安全与否直接关系到井下从业人员的生命，为保障煤矿开采相关从业人员的安全，提出了基于LoRa无线传感网络的煤矿安全监测系统设计，并充分利用LoRa无线通信协议的传输距离远、多节点、易组网、低功耗的优势及STM32微处理器的多外设接口及高性能特点，结合嵌入式技术、Web技术、物联网技术及长距离无线通信技术完成煤矿安全监测系统设计，根据测试结果验证了该系统设计可满足矿井下环境安全监测及警报功能。

关键词：LoRa；无线传感网络；安全监测

中图分类号：TN929.5;TP273      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）34-0077-04

1 引言

我国工业生产、居民生活的主要能源物质均为煤炭，尤其在一次性能源中煤炭使用量占比例已超过70%。我国煤田遍布存在于北方地区，但各煤层的存储条件和地质情况差异很大，许多煤矿井下自然环境恶劣，受到雨水、高温、粉尘、瓦斯、顶板等自然灾害的威胁。据国家能源局2021年统计数据，我国大型煤矿开采场所有3800多处，其中中高瓦斯矿井占四成以上，并且约91%的开采井下环境有煤尘爆炸危险，仅2021年全国矿井事故有 91起，1000余人受伤，178人遇难，因此对煤矿井下作业环境进行安全监测十分重要[1]。

傳统的有线传输方式在煤矿井下这种特殊环境中，系统布线多、功耗大，施工复杂，实现起来非常困难[2]。若使用传感器及无线传感网络就可以很好地解决这一问题，利用一套完整的矿井环境监测系统对井下环境进行实时监测及预警非常必要。本系统设计结合嵌入式技术、物联网技术、无线通信技术及传感器技术，设计了一套能满足数据远程共享显示同时又能兼顾节能环保、直观可视、性能稳定等的矿下环境监测系统。测试结果表明，系统设计可以既能满足对矿井现场环境的实时监测、数据分析、报警需求，同时具有安装方便、待机时间长、提示效率高及性能稳定等优点。

2 系统总体方案设计

总体方案设计由感知层、网络层、平台层、应用层四个部分构成[3]，其中感知层由多种采集类传感器模块组成，网络层由无线通信设备及网关组成，平台层由上位机及数据中心组成，应用层为应用平台及用户终端设备，系统总体设计框架如图1所示：

2.1 功能设计

系统功能主要包含矿井环境数据采集、节点与网关数据通信、数据存储及分析、控制器使能及终端显示。基于LoRa无线网络的煤矿安全监测系统设计具体功能包含以下四个方面：

1） 智能传感器监测模块和井下警报设备分布在矿井中，负责矿井中环境信息数据的采集、处理和传输。

2） 无线通信设备在传感器节点和智能网关之间通过LoRa无线通信协议实现数据传输，即完成接入功能和传输功能。

3） 上位机和数据中心设置在矿井安全监控室，负责数据监控、存储、访问、控制及显示，即完成设备连接和业务使能。

4） 用户终端设备可访问Web界面进行实时数据查看，在Web端提供界面显示、操作交互及阈值设定。

2.2 LoRa组网设计

将若干个数据采集子节点均设置在监控目标矿井现场，负责对井下的数据实时采集、处理、报警、上传，同时每个数据采集节点模块都含有集成GPS模块，可实时监测该节点的位置坐标，突发事件时可及时对该节点进行定位，从而进行救援。

系统主节点设置在矿井入口处，通过局域网或广域网将各数据采集子节点的传感器数据、定位数据、报警数据发送至上位机或数据中心，用户可通过个人终端设备访问上位机或数据中心，实时查看矿井下环境各项实时参数。

数据采集节点和系统网关节点采用Mesh网格网络。该网络结构优点是：各从节点都互相连接，并且每一个节点至少连接其他两个节点，所有节点之间形成一个完整的网格网络[4]。当任意一条数据通信线路故障或无响应时，Mesh网格网络可自动切换至其他的线路进行数据传输，任意节点故障都不影响网络的正常访问，系统可靠性非常高，并且网络发生异常故障时可设置自动修复功能，以确保数据网络安全稳定及高速流畅[5]。

系统的LoRa组网包含一个主节点和六个子节点，节点之间采用Mesh拓扑结构，主节点与子节点之间通过多路由传输数据，不依赖于某单一节点的性能，进而避免了某一节点出现故障，整个网络也就随之瘫痪。主节点上的LoRa模块初始化后向各个节点发送广播信息，然后判断子节点中的LoRa模块是否有信息传入，接收到子节点无线模块发送的入网请求后，再向各模块分配地址，并等待子节点的无线模块入网，如主节点无法收到信息则会登记丢失的节点信息并重新等待第二次网关发送广播信息。LoRa广播组网流程图如图2所示：

3 硬件设计方案

基于LoRa无线传感网络的煤矿安全监测硬件系包含中央控制芯片，LoRa无线通信模块，A/D转换电路、传感器电路、电源电路及显示电路。

3.1 中央控制硬件设计

硬件设计方案采用STM32F103C8T6作为中央控制芯片，该芯片是一款基于ARM Cortex-M内核系列的32位的微控制器，其RAM容量为64KB，ROM容量为512KB，工作电压为2V～3.6V，支持上电/断电复位（POR/PDR） 、可编程电压监测器（PVD） ，并增强外设接口如：定时器、ADC、SPI、USB、IIC和UART。

主要优势在于封装体积小，芯片内部具有8个定时器及3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM脉冲计数的通道和增量编码器输入，其主频可高达168Mhz，同时内部具有模数转换器，能直接在STM32内部转化数据，可满足矿井下的各类数据采集、转换。

3.2 无线模组硬件设计

LoRa无线通信模块采用的是SEMTECH公司的SX1278，该模块具有超远距离通信、功率密度集中、抗干扰性强和功耗低等特点，该芯片可以通过SPI与中央处理芯片进行数据交互。

设置为LoRaTM模式下芯片接收电流约为12mA，在低功耗的前提下能实现-148dbm的高灵敏度通信，具有+20dbm的功率输出，扩频因子为6～12，BW7.8～500kHz，空中数据速率0.018～37.5kbps。并具有高达+14dBm 的高效率功率放大器，其接收速率为250bps，可增强远距离传输效果。

3.3 传感器节点硬件设计

传感器包含温度传感器、水分传感器、气体监测传感器、LED警报、蜂鸣器警报及通风传感器，各传感器节点将采集信息传送至中央控制芯片，并可从中央控制端接受下行指令，调节各传感器并设定阈值或控制警报装置响应，从而达到精准监测及控制。

3.3.1 温度监测硬件设计

DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有硬件体积小，系统抗干扰能力强，采集精度高、适合于各类恶劣环境现场温度测量的特点。

该传感器的通信方式为：采用单总线的接口连接，与微处理器连接时仅需要一条串口线即可实现数据的双向通讯。其设计优点包含两个方面：1） 每个DS18B20都有独立唯一的64位ID，根据此特性可将多个传感器挂载到同一根总线上，通过ROM搜索读取相应传感器的采集温度；2） 供电方式灵活，即可通过内部寄生电路从数据线上获取电源并具有掉电保护功能，在系统掉电以后，内部的EEPROM仍可保存分辨率及报警温度的设定值。

3.3.2 水分监测硬件设计

CSF11系列土壤水分传感器基于频域反射FDR原理，是一种电介质型传感器，其工作原理是根据100MHz频率下测量传感器上电容的变化量，从而测量传感器接触介质的介电常数。常温下水的介电常数约为78.36F/m，干燥土壤的介电常数为5.5F/m。因此当干燥土壤中的水含量变化时，土壤的介电常数也会随之发生较大变化。本系列的土壤水分传感器电路把温度变化对测定的影响减小。该传感器采用了数字化技术和耐用材料，测量精度高且价格低廉，同时可以对多处样地、不同土壤深度的水分含量进行长期连续监测[6]。

3.3.3 气体监测硬件设计

MP503是平面半导体气体传感器，是一个智能通用型、小型传感器，利用传感器电导率变化原理对空气中存在的甲烷、天然气、沼气进行探测，具有很好的选择性和无氧气依赖性，寿命长，内置温度补偿，同时具有模拟电压输出，方便使用。当环境空气中有被检测气体浓度变化时，空气质量传感器的电导率随即发生变化，被检测气体的浓度越高，空气质量传感器的电导率就越高，采用简单的A/D转换电路即可将被检测气体浓度转化为对应传感器电导率的输出信号。

3.3.4 警报及通风硬件设计

设计中的警报模块及通风模块包含BUZZER蜂鸣器、LED及风扇，当煤矿井下环境采集信息数据值未超过设定阈值时，LED保持熄灭状态、蜂鸣器不鸣响且风扇不转。当煤矿井下环境异常，采集信息的任意数据值超过设定阈值时，蜂鸣器启动鸣响，LED保持以10Hz频率闪烁，并风扇启动通风动作[7]。

3.4 底层API逻辑设计

系统底层逻辑设计包含初始采集设备及服务器、启动监听服务、TCP/IP连接、接收解析数据包、预警响应及平台显示，系统通过完整的API逻辑完成数据采集、数据发送、异常警报及数据显示等功能。

4 软件设计方案

基于LoRa无线传感网络的煤矿安全监测的软件设计方案中，包含传感器数据采集、控制器异常警报、LoRa无线节点通信、智能网关配置及服务器平台显示，基于无线传感网络的煤矿安全监测软件系统框图如图3所示。

软件平台采用JavaScript语音编写，开发环境为Node js，上位机软件部分主要包括三个子系统：运营主界面显示、历史数据查询界面及系统设置模块。

4.1 系统数据传输

煤矿安全监测系统的数据传输是在传感器节点、智能网关以及客户端（Web端）之间进行，煤矿安全监测系统的数据传输方式如下：

1） 传感器节点通过LoRa无线网络与智能网关进行组网，协调器通过串口与智能网关进行数据通信。

2） 传感器采集的数据通过LoRa无线网络发送给协调器，协调器通过串口将数据转发给智能网关，然后将数据推送给所有连接到智能网关的客户端。

3） 客户端（Web端）应用通过调用平台数據接口，实现实时数据采集，上报，监测预警等功能。

4.2 系统功能模块设计

在基于LoRa无线传感网络的煤矿安全监测系统软件设计中包含：运营界面、ID/KEY验证、历史数据查询、阈值设置及系统设置，各项功能用途如下：

运营界面：显示采集模块的实时数据信息，并可在系统中对各模块设置阈值范围，在运营界面中设计了5个显示及操作模块，分别为温度、水分、气体、警报、模式切换及阈值设置模块。

ID/KEY验证：设置系统访问权限，保障采集数据安全性。在Web登录界面输入ID/KEY，与系统设置信息校对，如校对信息正确，则可进入运营界面，查看实时系统数据信息。

历史数据查询：通过历史数据查询，可以查询14天之内的各个传感器的采集信息，并且可以读取到48h时间段内的异常情况。

阈值设置：当采集数据超过阈值时，系统进行异常警报。

系统设置：通过系统界面设置，完成系统ID/KEY的访问权限管理及系统服务器地址。

5 系统验证

通过上述硬件及软件实现设计功能，完成了基于LoRa无线传感网络的煤矿安全监测系统设计。为了验证该设计是否能满足煤矿井下的环境监测功能，进行模拟实验，分别选取三个测试节点进行48h仿真，通过仿真数据确定该设计达到预期要求。矿井环境监测平台Web系统图如图4所示。

6 结束语

针对矿井环境复杂且不易人工监测，传统的人工信息监测法已经无法保障信息及时传递及井下安全，本文基于LoRa无线传感网络的煤矿安全监测系统设计实现了对矿井下的环境数据进行采集以及警报装置的控制，通过HTML5技术实现了Web端的应用设计，能够根据传感器实时采集到的数据对LED、蜂鸣器及风扇进行控制，通过模拟实验验证了基于LoRa的煤矿安全监测系统设计安全可靠。

参考文献：

[1] 武风波，吕茜彤.基于嵌入式的井下环境监测系统设计[J].现代电子技术，2019，42（13）：42-46.

[2] 曾维，余欣洋，江礼东，等.一种无线传感网的多功能传感器终端系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2020，20（6）：30-33.

[3] 王心海.基于无线传感网的嵌入式远程测控系统研究[J].科学技术创新，2018（9）：69-70.

[4] 孙颖妮.自组网通讯技术在应急救援领域应用探析[J].中国应急管理，2018（12）：54-55.

[5] 陈晨.面向边缘计算的QoS约束路由与信道分配方法研究[D].天津：天津理工大学，2019.

[6] 李清河，徐军，高婷婷，等.干旱荒漠区EC-5土壤水分传感器的校准和应用[J].中国农业气象，2012，33（1）：54-58.

[7] 王金环，薛泽辉，李春祥.基于物联网的油井智能监测系统研究[J].电脑知识与技术，2020，16（30）：226-227.

【通联编辑：梁书】