摘要：針對礦區(qū)水源井存在分布廣泛、集中控制困難，且傳統(tǒng)有線監(jiān)控方式建設(shè)成本高、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水源井集中監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32作為系統(tǒng)的核心控制器，構(gòu)建基于LoRa的無線模塊傳感網(wǎng)絡(luò)，通過壓力變送器、流量變送器、電流采集模塊，實(shí)現(xiàn)對水泵運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)實(shí)時傳送到上位機(jī)軟件，通過軟件實(shí)現(xiàn)對水源井水泵的集中監(jiān)控。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，可實(shí)時獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警信息等，達(dá)到了良好的監(jiān)控效果。

關(guān)鍵詞：水源井;無線傳感網(wǎng)絡(luò);LoRa;監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

煤炭是我國三大傳統(tǒng)能源之一，我國對煤炭能源的需求量不斷增多，對于煤礦的開采技術(shù)和硬件配置方面提出了更高的要求。煤礦礦區(qū)一般比較偏僻，生產(chǎn)和生活用水問題都需要礦區(qū)自己解決。根據(jù)礦區(qū)結(jié)構(gòu)不同，各個生產(chǎn)、生活區(qū)域都會設(shè)置水源井，且相互之間距離較遠(yuǎn)。傳統(tǒng)的煤礦水源井監(jiān)控主要采用工作人員定期巡檢、現(xiàn)場操作的方式，通過電話溝通進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)度，無法實(shí)時獲取現(xiàn)場水泵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息，因此，現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行安全性、操作實(shí)時性得不到保證，無法實(shí)時統(tǒng)計(jì)和獲取生活、生產(chǎn)用水的相關(guān)數(shù)據(jù)，給企業(yè)生產(chǎn)和員工生活造成了重大影響。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水源井集中監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過LoRa構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，避免了傳統(tǒng)有線監(jiān)控方式帶來的高建設(shè)成本、高維護(hù)費(fèi)用等問題，大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和監(jiān)控效率。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)下位機(jī)部分主要包括終端節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)兩個部分。其中，終端節(jié)點(diǎn)主要由STM32核心控制器、LoRa無線通信模塊、電流電壓數(shù)據(jù)獲取模塊、壓力數(shù)據(jù)獲取模塊、開關(guān)信號獲取模塊和電源模塊共同組成，負(fù)責(zé)獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)主要包含STM32核心控制器、LoRa無線通信模塊和電源模塊，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的實(shí)時通信。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? ? LoRa無線通信模塊

LoRa模塊通過E32-TTL-100實(shí)現(xiàn)無線通信，該模塊基于高溫定性的SX1278射頻芯片，數(shù)據(jù)傳輸采用串口且透明傳輸?shù)姆绞?，同時可以兼容3.3 V和5 V的電壓。模塊的工作頻段介于410～441 MHz，并且默認(rèn)是在434 MHz的情況下通信。該模塊采用了擴(kuò)頻技術(shù)，使得傳輸距離可以達(dá)到8 km，完全可以滿足本系統(tǒng)水源井集中監(jiān)控的實(shí)際需要。該模塊在數(shù)據(jù)上采用了軟件的FEC前向糾錯算法，使其具有很強(qiáng)的主動糾錯能力，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2.2? ? 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊主要采集和獲取水源井水泵的出水壓力、開關(guān)量信號和電量信號等數(shù)據(jù)。

壓力變送器根據(jù)實(shí)際需要，選用1151系列高溫型壓力變送器，可對水泵出水壓力進(jìn)行直接檢測，變送器輸出信號為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流模擬信號，通過采樣、放大、濾波后傳給STM32的AD模塊I/O口。

開關(guān)量信號的采集主要通過不斷獲取繼電器的開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)，繼電器的開關(guān)狀態(tài)為數(shù)字量。

電量采集模塊主要通過現(xiàn)場裝設(shè)電流互感器、電壓互感器，并經(jīng)過濾波處理后獲得標(biāo)準(zhǔn)的AD輸入電壓，間接獲取水泵的實(shí)時運(yùn)行電壓值和電流值。

2.3? ? 電源模塊

考慮到系統(tǒng)同時需要12 V、5 V和3.3 V的3路電源，其中核心控制器采用3.3 V電源供電，放大電路需要12 V電源供電，5 V電源采用USB直接提供，12 V電源供電通過TI公司的TPS54140線性差分穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)，3.3 V電源由AMS1117穩(wěn)壓芯片提供。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? ? 系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)通過各類變送器及處理電路獲取實(shí)時數(shù)據(jù)，并通過LoRa節(jié)點(diǎn)傳輸至LoRa匯聚節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行時，STM32核心控制器首先完成傳感器和LoRa節(jié)點(diǎn)的初始化;然后通過LoRa匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)組件，選擇ClassA工作模式，并對上下行鏈路的相關(guān)信息進(jìn)行設(shè)置，發(fā)送相應(yīng)的入網(wǎng)請求;最后會對是否入網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，若不成功，則會繼續(xù)組建網(wǎng)絡(luò)，直到網(wǎng)絡(luò)組建成功為止。

3.2? ? 系統(tǒng)匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

LoRa匯聚節(jié)點(diǎn)流程圖如圖2所示。LoRa匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)時獲取LoRa終端節(jié)點(diǎn)上傳的各類實(shí)時監(jiān)測到的水泵運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)與服務(wù)器相連，數(shù)據(jù)實(shí)時在服務(wù)器進(jìn)行備份。具體流程為：LoRa匯聚節(jié)點(diǎn)向服務(wù)器申請連接，并進(jìn)入到保持等待狀態(tài);當(dāng)服務(wù)器判斷為連接申請后，會向LoRa匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信號;當(dāng)系統(tǒng)連接完成后，LoRa匯聚節(jié)點(diǎn)會將終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送至服務(wù)器。

4 結(jié)語

本文采用現(xiàn)代化的LoRa無線通信方式構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對煤礦水源井的出水壓力、開關(guān)量信號和電量信號等數(shù)據(jù)的實(shí)時獲取和處理，消除了傳統(tǒng)有線傳輸方式存在的建設(shè)成本高、維護(hù)成本高、擴(kuò)展困難等缺陷。該系統(tǒng)通過在山西某礦區(qū)的實(shí)際運(yùn)行表明，其能夠?qū)λ淳M(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制，具有較強(qiáng)的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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收稿日期：2020-06-22

作者簡介：底偉（1971—），男，河北新樂人，電氣工程師，研究方向：電氣控制。