基于LoRa和物联网技术的矿井环境监测系统设计_蓝升传.pdf

144第31卷第1期2023 年 2 月Vol.31 No.1Feb.，2023Gold Science and Technology基于LoRa和物联网技术的矿井环境监测系统设计蓝升传1，陶干强1，房智恒2，曾庆田3，王史文3，朱忠华1*1.南华大学资源与环境安全工程学院，湖南 衡阳 421001；2.中冶长天国际工程有限责任公司，湖南 长沙 410205；3.云南迪庆有色金属有限责任公司，云南 香格里拉 674400摘 要：矿山井下环境特殊，且开采过程常伴随有毒有害气体，在对此类环境参数进行采集与传输时，常用无线通信技术存在通信距离短和抗干扰差的弊端。为解决此问题，设计了一套基于LoRa和物联网技术的矿井环境监测系统，对井下环境进行实时监测，并通过LoRa模块进行传输。监测系统包括数据采集端、汇总终端和数据监测平台3个部分，数据监测平台包括云平台和微信小程序。数据采集端搭配环境多传感器，通过布置多个LoRa中继节点传输监测点数据，实现较长距离无线传输，汇总终端将数据处理后通过WIFI发送至云平台，微信小程序数据通过调用云平台数据得到，最终完成监测数据的存储及可视化。测试结果表明：该系统功能稳定，能够实现井下的环境监测功能，易于安装、便于二次开发且井下无需排线。本研究进一步完善了矿山安全监测系统，增强了矿山灾害防治能力与应急救援能力。关键词：矿山通信；环境监测；LoRa；物联网；STM32；微信小程序中图分类号：TD76 文献标志码：A 文章编号：1005-2518（2023）01-0144-09 DOI：10.11872/j.issn.1005-2518.2023.01.140引用格式：LAN Shengchuan，TAO Ganqiang，FANG Zhiheng，et al.Design of Mine Environmental Monitoring System Based on LoRa and IoT Technology J.Gold Science and Technology，2023，31（1）：144-152.蓝升传，陶干强，房智恒，等.基于LoRa和物联网技术的矿井环境监测系统设计 J.黄金科学技术，2023，31（1）：144-152.矿产资源开采面临着许多风险，环境安全是主要威胁之一（辛宪耀，2021）。因此，做好矿井环境监测是矿产资源安全开采的重要保障。目前，传统人工抄表记录监测数据的方式已不再适应当前监测要求（贺洪江等，2016），而有线连接的方式存在施工复杂、功耗较高及后期维护困难等问题（武风波等，2019）。无线通信技术和物联网的蓬勃发展为解决上述问题提供了新的思路。现阶段矿山常用的无线通信技术有 WIFI、ZigBee 和 4G 等。其中，WIFI通信技术通信速率高，但传输距离短，抗干扰能力较弱；ZigBee的优势在于低功耗、低成本，通常应用于人员和机车定位；4G在井下的应用依赖于基站，因此应用成本较高（金枫等，2013；王军等，2017；霍振龙，2022）。以LoRa为代表的低功耗广域网是目前较为热门的物联网技术，具有运行功耗低、通讯距离远等特点，通常应用于地质灾害监测（郭伟等，2020；Chu et al.，2021；Wang et al.，2022）、森林火情和环境监测（张铮等，2019；Herring et al.，2022）以及定位系统（Liu et al.，2021）等方面。也有学者将LoRa技术应用于地下环境中，例如：王大涛等（2018）在隧道中搭建LoRa通信局域网，设计低功耗供电策略，并验证了系统的可行性；韩团军等（2019）设计了基于LoRa的矿井环境监测系统，以端到端的方式实现监测功能，但一定的环境条件对于长距离的矿井环境监测是不利的。将LoRa技术移植在矿井 收稿日期：2022-10-10；修订日期：2022-12-08基金项目：金属矿山安全与健康国家重点实验室开放基金项目“深井开采工程岩体质量数字化评价关键技术研究”（编号：2018-JSKSSYS-01）、湖南省教育厅优青项目“砂岩型铀矿床全矿域数字化渗透模型构建方法”（编号：21B0446）和云南迪庆有色金属有限责任公司企业委托项目“普朗铜矿采矿自然崩落放矿与地表塌陷规律研究”联合资助作者简介：蓝升传（1997-），男，安徽滁州人，硕士研究生，从事环境监测领域相关研究工作。*通信作者：朱忠华（1981-），男，湖南郴州人，博士，讲师，从事数字矿山理论及技术研究工作。中，需要解决射频信号在巷道中传播时产生的路径损耗和多径衰落的问题，这2个问题使得通讯距离大打折扣，想要完全实现矿山长距离地下与地面的无线连接，还需要克服环境因素的影响（RayChow-dhury et al.，2021）。为解决较长距离监测的问题，Abrardo et al.（2019）研究提出了一种基于 LoRa 技术的多跳线性网络架构，即从接收端到发送端由多个节点组成，路径上节点可以监测或转发数据，并通过布置多个中继节点，实现较长距离的渡槽环境监测。研究表明，在矿井中应用无线通信首要解决的是通信距离的问题，而矿井环境监测对通信速率要求并不高，与WIFI、ZigBee和UWB等无线通信技术相比，LoRa技术的通信距离更远、功耗更低，应用在矿井中具有较大优势（Song et al.，2017；王大涛等，2018；韩 团 军 等，2019；Abrardo et al.，2019；RayChowdhury et al.，2021）。针对矿井环境监测存在传输距离短、功耗大和布线复杂等问题，基于LoRa和物联网技术，以监测甲烷、温湿度、一氧化碳和氡及其子体环境信息为主要指标，设计了一套矿井环境监测系统。通过在端到端的基础上增加中继节点，在多跳LoRa模式下实现矿井环境较长距离的数据传输，为矿井安全开采提供保障。1 系统总体结构和功能系统总体结构包括数据采集端、数据汇总端和数据监测端3个部分。环境数据采集端所有外围模块连接至STM32，使用Keil5编写各模块驱动程序，烧录至STM32驱动各模块运行，随后通过LoRa模块将采集的数据发送至中继节点，中继节点以“中继模式”，即按照设定的路径将接收到的数据转发，直至汇总端，以达到延长传输距离的目的。数据汇总端通过 LoRa 模块接收监测节点发送的数据，经过打包处理后由 WIFI 模块上传至云平台。在云平台对数据流进行解析，通过数据监测页面设计展示数据图形并完成对应监测数据绑定，最终实现云平台监测数据的可视化，移动端在微信小程序界面设计后调用云平台相关API获得所需监测数据。系统总体结构如图1所示。2 硬件模块设计整个系统硬件分为数据采集端和数据汇总端2个部分。数据采集端由环境监测模块和多传感器模块组成，其中环境监测模块包括STM32微控制器模块、电源模块、LCD显示模块、LoRa模块和报警模块，数据采集端负责获取环境数据信息，经历多个LoRa模块将数据中继传输至汇总端。数据汇总端包括电源模块、STM32 微控制器模块、LoRa 模块、WIFI模块、LCD显示模块和报警模块，数据汇总端负责收集数据采集端的数据信息并发往云平台。系统总体硬件框图如图2所示。（1）电源模块：电源模块采用本安型电源，其结构包括供电系统、直流电转换电路、保护电路和本安电路，由 5 节锂电池组组成的供电系统可提供19 V输入电压。（2）微控制器：微控制器模块使用STM32F103ZET6开发板，该开发板拥有4路USART接口、3个12位ADC（Analog to Digital Converter）接口、1个12位DAC（Digital to Analog Converter）接口和112个通用I/O接口，丰富的板载资源可以满足本次设计。（3）传感器模块：传感器模块由多个传感器组成，用于实时采集井下环境信息，本次设计中使用了甲烷传感器、温湿度传感器、一氧化碳传感器和氡及其子体监测模块。图1系统总体结构图Fig.1Overall structure diagram of the system2023 年 2 月 第 31 卷 第 1 期145蓝升传等：基于LoRa和物联网技术的矿井环境监测系统设计中，需要解决射频信号在巷道中传播时产生的路径损耗和多径衰落的问题，这2个问题使得通讯距离大打折扣，想要完全实现矿山长距离地下与地面的无线连接，还需要克服环境因素的影响（RayChow-dhury et al.，2021）。为解决较长距离监测的问题，Abrardo et al.（2019）研究提出了一种基于 LoRa 技术的多跳线性网络架构，即从接收端到发送端由多个节点组成，路径上节点可以监测或转发数据，并通过布置多个中继节点，实现较长距离的渡槽环境监测。研究表明，在矿井中应用无线通信首要解决的是通信距离的问题，而矿井环境监测对通信速率要求并不高，与WIFI、ZigBee和UWB等无线通信技术相比，LoRa技术的通信距离更远、功耗更低，应用在矿井中具有较大优势（Song et al.，2017；王大涛等，2018；韩 团 军 等，2019；Abrardo et al.，2019；RayChowdhury et al.，2021）。针对矿井环境监测存在传输距离短、功耗大和布线复杂等问题，基于LoRa和物联网技术，以监测甲烷、温湿度、一氧化碳和氡及其子体环境信息为主要指标，设计了一套矿井环境监测系统。通过在端到端的基础上增加中继节点，在多跳LoRa模式下实现矿井环境较长距离的数据传输，为矿井安全开采提供保障。1 系统总体结构和功能系统总体结构包括数据采集端、数据汇总端和数据监测端3个部分。环境数据采集端所有外围模块连接至STM32，使用Keil5编写各模块驱动程序，烧录至STM32驱动各模块运行，随后通过LoRa模块将采集的数据发送至中继节点，中继节点以“中继模式”，即按照设定的路径将接收到的数据转发，直至汇总端，以达到延长传输距离的目的。数据汇总端通过 LoRa 模块接收监测节点发送的数据，经过打包处理后由 WIFI 模块上传至云平台。在云平台对数据流进行解析，通过数据监测页面设计展示数据图形并完成对应监测数据绑定，最终实现云平台监测数据的可视化，移动端在微信小程序界面设计后调用云平台相关API获得所需监测数据。系统总体结构如图1所示。2 硬件模块设计整个系统硬件分为数据采集端和数据汇总端2个部分。数据采集端由环境监测模块和多传感器模块组成，其中环境监测模块包括STM32微控制器模块、电源模块、LCD显示模块、LoRa模块和报警模块，数据采集端负责获取环境数据信息，经历多个LoRa模块将数据中继传输至汇总端。数据汇总端包括电源模块、STM32 微控制器模块、LoRa 模块、WIFI模块、LCD显示模块和报警模块，数据汇总端负责收集数据采集端的数据信息并发往云平台。系统总体硬件框图如图2所示。（1）电源模块：电源模块采用本安型电源，其结构包括供电系统、直流电转换电路、保护电路和本安电路，由 5 节锂电池组组成的供电系统可提供19 V输入电压。（2）微控制器：微控制器模块使用STM32F103ZET6开发板，该开发板拥有4路USART接口、3个12位ADC（Analog to Digital Converter）接口、1个12位DAC（Digital to Analog Converter）接口和112个通用I/O接口，丰富的板载资源可以满足本次设计。（3）传感器模块：传感器模块由多个传感器组成，用于实时采集井下环境信息，本次设计中使用了甲烷传感器、温湿度传感器、一氧化碳传感器和氡及其子体监测模块。图1系统总体结构图Fig.1Overall structure diagram of the systemVol.31 No.1 Feb.，2023采选技术与矿山管理146甲烷监测模块：甲烷监测模块采用MQ-4型气体传感器，该传感器使用导电率较低的二氧化锡作为气敏材料，对甲烷有很高的灵敏度，检测范围为30010-610 00010-6，具有快速响