基于LoRa技术的矿井信息采集系统的设计*

陈锋

(安徽职业技术学院 信息工程学院，安徽 合肥 230000)

煤矿井下工作环境复杂且恶劣，为了防止矿井安全事故的发生，需要对井下环境信息24小时不间断进行监测，保证矿井工作环境的安全及稳定。随着物联网时代的快速发展和应用，越来越多的设备接入网络、无线通信技术用于传感信息采集监测的应用越来越广泛[1]。目前物联网无线通信组网主要以蓝牙、ZigBee[2]、WiFi为主，但这些技术存在覆盖范围小、功耗大、易干扰等问题。LoRa技术作为一种新型的远距离、低功耗LPWAN技术，其利用扩频调制技术，增加了链路的抗干扰性，具有长距离、低功耗、抗干扰、易组网等特点。本文将LoRa技术应用于矿井信息采集系统的设计中，在井下监测区域放置无线传感器，采用LoRa无线通信技术进行组网监测。通过无线传输将传感数据信息传输至LoRa网关，最终传输至地面监控中心。该方案有效地解决了矿井信息采集节点多而散，环境复杂组网困难，传输距离远等问题。提高了系统的集成度以及抗干扰性。

1 系统方案及功能设计

1.1 系统方案框架

本系统利用LoRa长距离，低功耗，易组网的技术特点组建了矿井信息监测系统，其整体框架如图1所示，系统主要包括传感部分[3]、处理部分、无线传输部分以及应用监测部分[4]。

图1 系统方案设计

系统各个硬件节点组成如图2所示，子节点处理器上的传感器单元对井下温湿度、空气质量、火焰、可燃气体传感数据进行感知和采集，并将数据以无线传输的形式传至LoRa网关，LoRa网关对各个LoRa节点的数据经过汇聚后[5]，最后通过WiFi传至地面监控中心，从而实现地面工作人员对井下数据信息的实时监测。

图2 矿井信息节点硬件框架图

1.2 系统功能框架

本系统实现的主要功能为：一是利用嵌入式技术控制传感器模块采集井下各项信息数据；二是利用LoRa无线传输将数据发送汇聚到LoRa网关节点；三是LoRa网关将数据传输至WiFi模块，进而传输至地面数据中心；四是通过上位机软件对数据进行监控。矿井信息采集系统功能设计流程图如图3所示。

图3 矿井信息采集系统功能设计流程图

2 系统硬件设计

2.1 信息采集子节点硬件设计

信息采集节点主要由STM32微处理器、传感器采集电路、LoRa无线模块等构成。如图4所示，主控芯片为ST意法半导体公司的低功耗芯片STM32L151；无线部分的射频芯片使用SX1278LoRa芯片，其特点是低功耗和广覆盖。子节点和网关组成星型网络，通过LoRa模块周期性地将传感器采集的数据上报到LoRa网关节点。传感器部分参数如表1所示。

图4 节点硬件框图

表1 传感器模块参数

2.2 LoRa网关节点硬件设计

LoRa网关节点主要由STM32微处理器、ESP8266WiFi模块、LoRa无线模块、LCD模块等构成。具体硬件框图如图5所示，主控芯片和射频芯片型号与子节点型号相同。选用ESP8266作为WiFi传输模块，该芯片性价比高，具有强大的片上处理和存储能力，支持station、soft-AP、station+soft-AP三种工作模式。主控单元与信息采集子节点通过LoRa无线传输通信，主控单元与ESP8266通过USART串口方式进行通信，ESP8266将接收到的信息发送到服务器，完成整个信息数据的上报[6]。

图5 LoRa网关硬件框图

3 系统软件设计

3.1 通信协议的设计

通信协议确保通信双方能够可靠地进行数据传输。本设计中采用定时收发自组协议的方式进行，在采集环境信息传感数据值时，网关定时发送请求帧给各个信息采集子节点，信息采集子节点按照定义好的数据帧协议，将响应帧发送到LoRa网关。请求帧和响应帧格式如表2和表3所示。

表2 请求帧协议

表3 响应帧协议

协议规定，帧头和帧尾分别固定为0x55、0xFF，表示一个协议帧的开始和结尾，网络地址表示该LoRa网络的网络编号，设备地址表示各个信息采集子节点的编号，例如0x1234。协议帧的校验方式使用和校验，如校验不一致，则丢弃该帧数据。

3.2 LoRa网关节点的软件设计

LoRa网关的功能是定时发送协议请求帧到各个信息采集子节点，同时接收子节点的响应帧，解析响应帧中的传感数据通过串口发送到ESP8266WiFi模块。主程序中，初始化成功后，当定时时间到，网关根据当前设备地址发送请求帧到该信息采集子节点，同时设备地址+1，当下次时间到时，发送请求帧到下一个信息采集子节点，采用这种轮询的方式依次发送请求帧到网络中所有的设备节点；当LoRa网关收到来自信息采集子节点的响应帧时，先对帧头、帧尾以及校验帧进行核对，确保接收数据正确，再从响应帧中解析设备地址和传感数据，最后将解析到的传感数据通过串口发送到esp8266Wifi模块[7]。LoRa网关软件设计流程如图6所示。

图6 LoRa网关软件设计流程图

3.3 信息采集子节点的软件设计

信息采集节点主要功能是接收LoRa网关发送的请求帧,完成井下环传感数据的采集，将采集的数据自组LoRa响应帧并上报LoRa网关。子节点主程序完成硬件的初始化后，进入While循环。当定时时间到，启动传感器采集函数对传感器数据进行采集；当查询到无线LoRa数据请求帧协议时，子节点首先查询帧头帧尾以及校验位是否一致，确保请求帧的完整性以及正确性，当无误后解析该帧的设备地址是否为本节点地址，如果不是，则丢弃该帧。如果是，则根据响应帧协议组帧，把传感数据添加到协议帧中，并发送到LoRa网关。信息采集子节点软件设计流程如图7所示。

图7 信息采集子节点软件设计流程图

4 系统测试与分析

为了验证系统在煤矿井下远程通信中，LoRa节点最大通信距离、数据传输可靠性、有效性等指标[8]，通过在住宅小区范围的几栋高楼部署不同的LoRa节点，固定其中一个节点，另一个节点为可移动状态。系统工作频率433.3 MHz，频带宽度为125 KHz，LoRa模块发射功率130 mW;LoRa网关请求帧间隔为1 s。图8所示利用串口调试工具对LoRa网关节点采集的各子节点数据进行实时分析，移动端App开发工具使用 Android Studio，其手机端用户交互界面如图9所示。

表4 通信距离及可靠性测试结果

从测试结果看，在1 500 m以内数据基本无丢包，可靠性较高，随着通信距离的增大，丢包率逐渐增大，在2.5 KM以内，丢包率仍小于10%，可适当增大节点发射功率，提高传输的可靠性。如图8所示，利用 LoRa无线传输技术能够实现对井下信息数据的采集，从而实时监控井下的温度、湿度、可燃气体、火焰等信息，判断当前井下环境的状态。图9信息显示，当手机连接到网络时，手机就接收到LoRa网关发来的数据值，手机将接收值进行处理，并将信息实时显示出来。在井下环境中，采用LoRa无线通信技术，通信的可靠性和有效性、抗干扰性都有较好的提升。

图8 串口数据显示

图9 移动端交互界面

5 结论

1)提出一种基于LoRa的井下信息数据采集系统设计方案，为煤矿井下隐患安全提出了一种新的解决方法。

2)采用LoRa无线模块、STM32模块、WiFi模块、传感器模块构成主要的硬件系统，采用串口通信以及LoRa无线通信，实现传感信息数据的长距离传输。

3)系统能够实时监控井下各监测点温湿度、火焰数据、空气质量、可燃气体等数据，并能够将数据及时发送到地面监测系统。地面通过系统及时掌握各个监测点的传感数据信息。系统的应用能有效提高消防应急处突能力，是对井下灾害隐患的有效监测和预防。