韩团军 尹继武 赵增群 王楷

摘  要： 为了解决传统矿井数据监测系统组网复杂、传输距离短和高功耗等问题，提出一种基于LoRa技术的矿井数据监测系统。该系统利用LoRa无线通信技术组建数据传输网络，包含监测节点和汇总节点。监测节点可以实现多点、多种环境数据的监测，汇总节点接收所有监测节点的数据，然后将数据打包处理后经GPRS模块上传至服务器。利用C#语言开发的上位机可以实现对监测数据的保存以及实时显示。经测试，该系统能够实时准确监测矿井环境数据，运行稳定可靠，可以满足矿井环境监测的需求。

关键词： 矿井数据监测; LoRa技术; 数据传输; 环境监测; 数据保存; 系统测试

中图分类号： TN709?34                            文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2019）20?0160?04

Design and research of mine data monitoring system based on LoRa technology

HAN Tuanjun， YIN Jiwu， ZHAO Zengqun， WANG Kai

（Department of Physics & Telecommunications Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， China）

Abstract： A mine data monitoring system based on LoRa technology is proposed to solve the problems of complex networking， short transmission distance and high power dissipation. The LoRa wireless communication technology is used in the system to build data transmission network， including monitoring nodes and gather nodes. The monitoring nodes can be used to monitor multipoint and multiple environmental data. The gather nodes can be used to receive data from all the monitoring nodes， and the data is packaged and uploaded to the server by GPRS module. The upper computer developed by C# language can save and display the monitoring data in real time. The test results show that the system can accurately monitor the mine environment data in real time， runs stably and reliably， and can meet the needs of mine environment monitoring.

Keywords： mine data monitoring; LoRa technology; data transmission; environment nomitoring; data storage; system testing

煤炭是我国主要的战略资源，在国家经济建设中的地位十分重要，然而在煤炭的生产过程中受煤矿煤层条件、矿井的环境条件、生产技术装备条件的限制，使得煤矿井下作业一直存在着诸多安全隐患，严重影响煤炭生产者的安全，如何有效监控井下安全已成为煤矿生产的关键问题。随着物联网技术的不断发展，已有煤矿装备了无线式数据监测系统，但现有的无线传输方式监测系统组网和协议比较复杂，系统存在着传输距离短、功耗高和抗干扰差等缺点[1?4]。

本文提出一种基于LoRa技术的矿井数据监测系统，利用LoRa无线通信技术组建数据传输网络，包含监测节点和汇总节点。监测节点可以实现多点、多种环境数据的监测，汇总节点接收所有监测节点的数据，然后将数据打包处理后经GPRS模块上传至服务器。利用C#语言开发的上位机可以实现对监测数据的保存以及实时显示。整个系统设计和组网简单，能够实时准确显示环境检测数据，運行稳定可靠，可以满足矿井安全生产环境监测和有效管理的要求。

1  系统结构设计

整个系统可以分为监测节点和汇总节点两部分，监测节点由STM32控制器、多传感器和LoRa组成，STM32驱动各传感器采集数据并通过LoRa模块发送给汇总节点。汇总节点由STM32控制器、LoRa模块和GPRS模块组成，STM32控制器将LoRa模块接收到的数据打包处理后通过串口通信传输给GPRS模块，GPRS模块负责将数据上传至服务器，服务器端上位机软件对数据进行解包、显示和保存。整个系统的结构如图1所示。

图1  矿井监测系统结构图

2  系统硬件设计

整个系统可以按照对信号的处理划分为三部分，分别是监测节点、汇总节点、网关节点。监测节点包括处理器模块、LoRa无线通信模块、温湿度传感器模块、气体传感器模块、风速传感器模块、火焰传感器模块以及电源模块，监测节点负责采集数据并通过LoRa模块发送给汇总节点，汇总节点包括处理器模块、LoRa无线通信模块、TTL/RS 485模块，负责数据打包后传输给网关节点，网关节点包括STM32处理器、TTL/RS 485模块负责数据的上传。整个系统的硬件框图如图2所示。

图2  系统硬件框图

2.1  电源模块电路设计

电源供电需要5 V和3.3 V两路电源。控制器采用3.3 V供电，整个系统供电为5 V，为了保证电源设计输出稳定，采用AMS1117稳压芯片设计。该芯片设计外围电路简单，输出精度高，同时纹波较小[5?6]。供电电路如图3所示。

2.2  气体传感器电路设计

MQ?5型气体传感器电路设计十分简单，在电路中需要对传感器添加加热器电压（VH）和测试电压（VC），可将电导率的变化转换成相对应的电压值输出。DOUT为TTL信号输出端，AOUT则是模拟电压的输出端。当待测气体的浓度达到阈值时，则会输出高电平，电位器R8可以改变阈值的大小。模拟量电压输出值与气体的浓度呈线性关系，电压越高则浓度越高。电路图图4。

图3  电源电路

图4  气体传感器电路

2.3  GPRS模块电路设计

GPRS模块电路由SIM900芯片、SIM卡电路、天线电路以及启动电路组成。

3  系统软件设计

整个系统软件主要包括监测节点软件设计、汇总节点软件设计和上位机软件设计。

3.1  監测节点软件设计

检测节点由STM32微控制器、多传感器、LoRa模块组成，SHT30和STM32之间通过I2C总线通信，MQ?5和风速传感器的数据通过STM32内部ADC模块读取，火焰传感器的五路数据直接由I/O口读取，LoRa模块和STM32控制器之间通过串口通信，程序流程图见图5。

3.2  汇总节点软件设计

汇总节点由STM32微控制器、LoRa模块和TTL/RS 485模块组成，其主要功能是接收所有监测节点的数据，然后将所有数据打包处理，经RS 485总线发给网关节点。LoRa模块和TTL/RS 485模块都是通过串口和STM32通信，所以在汇总节点部分需要用到STM32内部的USART模块。

图5  监测节点程序框图

STM32和LoRa模块之间使用USART1，STM32和TTL/RS 485模块之间使用USART2。USART1采用中断方式采集数据，一旦有数据传入则会触发中断，串口每中断一次发送一个8位数据，数据会保存在缓冲寄存器中，在串口中断处理函数中将缓冲寄存器中的数据保存到一个数组中，接收完一帧数据关闭串口1中断，使用串口2发送数据。为了区分不同节点的数据，程序规定每个监测节点发送的数据格式为：节点号+数据+结束标志符。所以在汇总节点要对不同节点数据进行识别，如果接收到的是数据节点号，则表示要开始一帧数据的接收，此时将数据接收标志位置1;如果接收到的是结束标志符，则表示一帧数据的接收已结束，此时将数据接收标志位置0，将数据接收完成标志位置1。主程序中判断到数据接收完成标志位置1后会禁止串口1中断，此时转入串口2发送，利用串口2发送函数将数组中的数据发给TTL/RS 485模块，然后经由RS 485总线将数据发送给网关模块。其程序流程图如图6所示。

3.3  上位机软件设计

上位机和服务器之间基于TCP协议通信[7?11]。TCP协议进行信息的传输和获取时都是经一个端口进行通信的。低于1 024的端口是公共端口，由IANA分配，1 024～65 535是没有公共定义的端口，用户可以自己定义这些端口。上位机软件利用Visual Studio开发平台完成，通过C# .NET的窗体应用程序开发中若干类库设计出的一个软件整体。本系统上位机软件主要由三部分组成：软件参数设置模块、数据接收及显示模块、数据处理及绘图模块。详细模块功能如图7所示。

图6  汇总节点程序框图

图7  上位机功能模块图

4  系统测试及分析

4.1  系统测试终端

系统软、硬件设计完成后，为了验证系统的可行性，搭建了一个实验测试平台。为了简化测试条件，整个测试平台包括2个监测节点、汇总节点、网关节点以及阿里云服务器。监测节点搭载温湿度传感器、气体传感器、风速传感器和火焰传感器，汇总节点经RS 485总线和网关节点连接。

4.2  监测数据采集

测试中设计了两个监测点设置在矿井采煤工作区，测试过程主要是验证本系统的网络结构，LoRa通信方式能否满足井下通信需求，能否实现准确可靠地显示环境监测数据。通过验证，整个系统能正常工作，通过服务器可以读出矿井环境中的温湿度、瓦斯浓度变化以及通道里的风速值。

5  结  语

本文采用LoRa技术设计了一种无线矿井数据监测系统，实现了矿井环境数据信息的实时监测，通过对系统的实地调试，证明该系统能够精确测量矿井环境参数，可以被广泛应用于煤矿安全监测系统中，系统设计灵活、网络拓扑结构简单、传输距离远而且功耗极低。同时该系统具有良好的准确性，可以被广泛推广。

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