潘曉博

(徐州工程學院 信息工程學院， 江蘇 徐州 221008)

0 引言

由于瓦斯?jié)舛冗^高導致的煤礦安全生產事故常常會造成大量的人員傷亡和經濟損失，因此，煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測對于預防煤礦瓦斯災害事故、保障礦工生命和礦井財產安全具有重要意義[1-4]。

瓦斯檢測傳感器類型主要包括催化燃燒型、光干涉型、紅外吸收型、熱導型等[5]。目前，礦用光纖甲烷傳感器和催化燃燒式甲烷傳感器應用廣泛。其中，催化燃燒式甲烷傳感器通過惠斯通電橋測量電阻變化值，實現(xiàn)甲烷濃度檢測[6-7]，具有成本低、使用方便、精度較高和檢測范圍大等優(yōu)點，但存在功耗較高的缺點[8-9]。

針對該問題，本文基于甲烷檢測用載體催化元件，結合低功耗嵌入式系統(tǒng)和LoRa無線通信技術[10]，設計了一種低功耗瓦斯?jié)舛确植际奖O(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)有線瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(tǒng)安裝成本高、擴展性和靈活性差、維護工作量大等缺點[11-12]，同時，可盡可能降低系統(tǒng)功耗，實現(xiàn)遠程瓦斯?jié)舛葘崟r采集，為煤礦井下瓦斯災害預警提供重要的數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)架構設計

基于LoRa的低功耗瓦斯?jié)舛确植际奖O(jiān)測系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、傳輸層和后臺服務端3個部分，其架構如圖1所示,n為采集節(jié)點總數(shù)。

圖1 基于LoRa的低功耗瓦斯?jié)舛确植际奖O(jiān)測系統(tǒng)架構Fig.1 Structure of low-power distributed gas concentration monitoring system based on LoRa

數(shù)據(jù)采集層由低功耗瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點和LoRa智能網(wǎng)關構成。根據(jù)實際監(jiān)測需要，可靈活確定瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點的位置和數(shù)量。瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點與LoRa智能網(wǎng)關之間可雙向通信，實現(xiàn)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)上傳與服務端指令下發(fā)。

傳輸層由煤礦井下工業(yè)以太網(wǎng)構成。LoRa智能網(wǎng)關可通過多種通信方式(WiFi，CAN總線，RS485總線和以太網(wǎng))與傳輸層通信，將瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)匯入工業(yè)以太網(wǎng)后上傳至后臺服務端。后臺服務端可通過傳輸層下發(fā)相關控制指令到數(shù)據(jù)采集層。

后臺服務端由服務器、備用服務器及上位機軟件組成。根據(jù)實際應用需求，后臺服務端可下發(fā)控制指令，實時調整瓦斯?jié)舛阮A警閾值、瓦斯?jié)舛炔杉芷诩巴咚節(jié)舛炔杉?jié)點相關配置參數(shù)等。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 低功耗瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點硬件設計

低功耗瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點主要包括單片機核心系統(tǒng)模塊、電源管理模塊和通信模塊(LoRa無線通信、串口通信)，采用電池供電，其結構如圖2所示。

圖2 低功耗瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點硬件結構Fig.2 Hardware structure of low-power gas concentration collection node

2.1.1 核心系統(tǒng)模塊

核心系統(tǒng)模塊主要包括單片機、催化甲烷傳感器電路模塊、Flash模塊、電量檢測模塊、按鍵模塊、聲光報警模塊和指示燈。

采用超低功耗系列單片機STM32L151CBT6，工作頻率為32 kHz～32 MHz，可運行于待機模式(2種)、停止模式(2種)、低功耗運行模式、動態(tài)運行模式6種模式，具有豐富的外設，能夠滿足系統(tǒng)設計需求。Flash模塊采用W25Q64芯片，用于存儲軟硬件版本信息及服務器下發(fā)至采集節(jié)點的瓦斯?jié)舛葓缶撝?。電量檢測模塊采用CW2015電量計芯片檢測供電鋰電池的電量。聲光報警模塊由有源蜂鳴器和LED燈構成，當采集到的瓦斯?jié)舛雀哂趫缶撝禃r，啟動聲光報警。

催化甲烷傳感器電路模塊采用煤礦甲烷檢測用載體催化元件MJC4/2.8J[8]與補償元件構成測量電橋，采用恒流驅動。載體催化元件兩端阻值會隨氣體濃度升高而增大，橋路電壓隨氣體濃度升高而線性增大。通過高精度模數(shù)轉換芯片CS1238(24位ADC)采集電壓值，結合數(shù)據(jù)處理算法，得出瓦斯?jié)舛?。MJC4/2.8J甲烷檢測用載體催化元件如圖3所示，催化甲烷傳感器電路如圖4所示。

圖3 MJC4/2.8J甲烷檢測用載體催化元件Fig.3 MJC4/2.8J carrier catalytic element for methane detection

圖4 催化甲烷傳感器電路Fig.4 Catalytic methane sensor circuit

2.1.2 通信模塊

通信模塊包括LoRa無線通信模塊和串口通信模塊。LoRa無線通信模塊型號為E22-400T30D，以新一代LoRa射頻芯片SX1268為核心，在抗干擾性與通信距離方面得到了進一步提升，在功耗上也有出色的表現(xiàn)。LoRa無線通信模塊與單片機間采用串口通信，接口電路如圖5所示。串口通信模塊采用CH340G芯片實現(xiàn)串口TTL(晶體管-晶體管邏輯電平)信號轉USB，可用于催化甲烷傳感器標校等參數(shù)調整。

圖5 LoRa無線通信模塊接口電路Fig.5 Interface circuit of LoRa wireless communication module

2.1.3 電源管理模塊

電源管理模塊包括3.7 V磷酸鐵鋰電池和電源管理模塊，磷酸鐵鋰電池采用系統(tǒng)外單獨充電設備進行充電。為滿足系統(tǒng)功能要求，同時盡可能降低功耗，將系統(tǒng)電源分為3個部分進行管理，如圖6所示。

圖6 電源管理模塊結構Fig.6 Structure of power management module

第1部分電源由SGM2040-3.3 V芯片將輸入的3.7 V電壓轉換為3.3 V，對STM32L151單片機核心系統(tǒng)進行供電。SGM2040-3.3 V電源芯片具有電壓輸出使能端，功耗低且成本低，能夠很好地滿足硬件設計需求。

第2部分電源為LoRa無線通信模塊、串口通信模塊、Flash、電量檢測模塊、聲光報警模塊、差分放大器和AD采集電路供電。為合理有效地使用電源，設計了基于MOS(場效應管)的電源開關電路，在單片機的控制下實現(xiàn)電源通斷，進而有效降低系統(tǒng)功耗。基于MOS的電源開關電路如圖7所示。

圖7 基于MOS的電源開關電路Fig.7 MOS-based power switch circuit

第3部分電源專為甲烷檢測用載體催化元件供電，通過SGM2040-2.8 V芯片提供2.8 V電源。該芯片也具有電壓輸出使能端，可方便實現(xiàn)電源輸出控制。為使采集節(jié)點硬件符合煤礦井下使用要求，還需對電源管理模塊進行本安設計。

2.2 LoRa智能網(wǎng)關硬件設計

LoRa智能網(wǎng)關主要包括單片機STM32F103核心系統(tǒng)模塊、通信模塊和電源管理模塊，如圖8所示。

圖8 LoRa智能網(wǎng)關硬件結構Fig.8 Hardware structure of LoRa intelligent gateway

(1) STM32F103核心系統(tǒng)模塊。主要包括單片機、Flash模塊、電量檢測模塊、按鍵模塊和聲光報警模塊。單片機采用的是STM32F103VET6芯片，該系列芯片采用ARM Cortex-M3內核，具有豐富的外設，能夠滿足系統(tǒng)設計需求。Flash模塊、電量檢測模塊及聲光報警模塊的硬件設計與瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點相同。

(2) 通信模塊。為了使智能網(wǎng)關能夠更靈活地接入井下工業(yè)以太網(wǎng)，設計了WiFi通信、以太網(wǎng)通信、RS485總線通信和CAN總線通信4種通信方式。其中，WiFi通信模塊采用的是ESP8266模塊，支持IEEE 802.11 b/g/n，通過串口與單片機通信，使用AT指令驅動。以太網(wǎng)通信模塊采用W5500以太網(wǎng)芯片，該芯片通過SPI接口與單片機進行通信，具有應用簡單、可靠性高和安全性好等優(yōu)勢。RS485總線通信模塊采用SP3485芯片作為收發(fā)器，CAN總線通信模塊采用TJA1050芯片作為收發(fā)器。此外，智能網(wǎng)關還包含LoRa無線通信模塊和串口通信模塊，其中，LoRa無線通信模塊用于和瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點進行通信，串口通信模塊用于輸出系統(tǒng)調試信息等，這2個模塊的硬件設計與瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點相同。

(3) 電源模塊。智能網(wǎng)關采用12 V本安電源供電，電源模塊對12 V電壓進行2次降壓處理，分別得到5 V和3.3 V電壓，為智能網(wǎng)關中各硬件模塊供電。為使智能網(wǎng)關硬件符合煤礦井下使用要求，還需對電源模塊進行本安設計。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括低功耗瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點軟件設計和LoRa智能網(wǎng)關軟件設計2個部分，均在Keil MDK 5.25集成開發(fā)環(huán)境下用C語言開發(fā)。

3.1 低功耗瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點軟件設計

低功耗瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點軟件設計主要包括瓦斯?jié)舛炔杉寗?、Flash讀寫驅動、電量采集驅動、聲光報警驅動、串口通信驅動、電源開關驅動、LoRa無線通信模塊驅動等設計。采集節(jié)點與智能網(wǎng)關之間采用標準的Modbus-RTU協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互。采集節(jié)點軟件流程如圖9所示。

(1) 進行硬件系統(tǒng)外設初始化與系統(tǒng)自檢，若系統(tǒng)正常則與智能網(wǎng)關通信，發(fā)送在線報文;若系統(tǒng)異常則進行聲光報警，并重新進行硬件初始化。

圖9 瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點軟件流程Fig.9 Software process of gas concentration collection nodes

(2) 監(jiān)測到智能網(wǎng)關下發(fā)數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)指令解析，更新相關參數(shù)和報警閾值；若未接收到數(shù)據(jù)報文，則按照系統(tǒng)定時間隔采集瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)。

(3) 進行瓦斯?jié)舛瘸迗缶袛?，若瓦斯?jié)舛日?，則進入低功耗模式，否則啟動聲光報警。

3.2 LoRa智能網(wǎng)關軟件設計

為更好地接收和處理LoRa網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，利用嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II[8]對網(wǎng)關各功能任務進行合理調度，使網(wǎng)關性能達到最優(yōu)，提高CPU的利用率。嵌入式實時操作系統(tǒng)能夠減少應用程序開發(fā)的工作量，提高系統(tǒng)調度效率和便捷度，增強可維護性，便于軟件后期更新。

LoRa智能網(wǎng)關的主程序流程如圖10所示，在多任務調度執(zhí)行環(huán)節(jié)中，根據(jù)任務優(yōu)先級來進行調度，切換執(zhí)行不同任務。智能網(wǎng)關中的任務分配如圖11所示。在實際使用過程中，可根據(jù)煤礦井下網(wǎng)絡環(huán)境選擇一種通信方式，根據(jù)通信協(xié)議編寫對應的通信任務函數(shù)，將采集到的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)匯入工業(yè)以太網(wǎng)中。

圖10 LoRa智能網(wǎng)關主程序流程Fig.10 Main program flow of LoRa intelligent gateway

圖11 LoRa智能網(wǎng)關任務分配Fig.11 Task assignment of LoRa intelligent gateway

4 系統(tǒng)測試

4.1 數(shù)據(jù)傳輸性能測試

在江蘇省徐州市云龍山隧道開展數(shù)據(jù)傳輸性能測試，分別配置2、5、10個采集節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，測試數(shù)據(jù)丟包率和報警數(shù)據(jù)上報時延。取隧道中段600 m范圍，將智能網(wǎng)關布置于中點位置，采集節(jié)點等間隔布置在600 m范圍內。上述3種情況下的數(shù)據(jù)丟包率和報警數(shù)據(jù)上報時延數(shù)據(jù)見表1。

表1 丟包率與報警數(shù)據(jù)上報時延測試結果Table 1 Test results of packet loss rate and alarm data reporting delay

從表1可知，一次性發(fā)送50和100個數(shù)據(jù)包時，數(shù)據(jù)上報時延均低于100 ms；在采集節(jié)點為2個和5個的情況下，丟包率不高于2%；隨著采集節(jié)點增多，丟包率上升，但不超過4%。測試結果表明，瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點具有較好的數(shù)據(jù)傳輸性能，能夠滿足實際應用場景下的數(shù)據(jù)傳輸需求。

4.2 瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點低功耗性能測試

采用3.7 V，10 A·H鋰電池供電，測試4種情況下瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點實時消耗的電流：① 系統(tǒng)中所有模塊均通電，LoRa無線通信模塊無數(shù)據(jù)收發(fā)；② 系統(tǒng)中所有模塊均通電，LoRa無線通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)；③ 系統(tǒng)中所有模塊均通電，LoRa無線通信模塊接收數(shù)據(jù)；④ 系統(tǒng)中單片機核心系統(tǒng)工作在待機狀態(tài)下，其余外設模塊電路電源關閉。上述4種情況下的低功耗性能測試結果見表2。

表2 低功耗性能測試結果Table 2 Test results of low-power performance

從表2可知，系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的電流消耗不同，第4種情況下的電流明顯低于其他3種情況。測試結果表明，利用單片機核心系統(tǒng)的待機工作狀態(tài)和各模塊供電開關，將能夠有效降低采集節(jié)點的平均電流，從而延長電池使用時間，降低系統(tǒng)維護工作量。因此，本文設計了如下功耗控制策略：

(1) 單片機核心系統(tǒng)采用低功耗模式(包括定時待機模式、定時睡眠模式和低功耗運行模式)，根據(jù)實際使用需求設定相關模式，以降低功耗。

(2) MJC4/2.8J甲烷檢測用載體催化元件采用動態(tài)通電方式，以降低平均電流。由于該傳感器功耗較大，若始終保持供電狀態(tài)，則持續(xù)電流消耗較大。因此，可采用間斷供電方式，例如，每通電5 s后，斷電10 s，再通電，如此周期性循環(huán)。

(3) 采集節(jié)點中除單片機核心系統(tǒng)外的其他模塊按需供電。當需要使用到某模塊時，打開該模塊供電開關，使用完畢后，斷開供電開關。

設定MJC4/2.8J甲烷檢測用載體催化元件采用通電5 s、斷電10 s的動態(tài)通電方式，單片機核心系統(tǒng)采用定時待機模式(待機30 s后，運行30 s，再進入待機模式)，對功耗控制策略的效果進行測試，結果表明，采集節(jié)點平均電流下降至約105 mA，與第2種情況(平均電流約為230 mA)相比，電池使用壽命延長了1倍。

5 結論

(1) 數(shù)據(jù)傳輸性能測試結果表明，瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點具有較好的數(shù)據(jù)傳輸性能，一次性發(fā)送50和100個數(shù)據(jù)包時，數(shù)據(jù)上報時延低于100 ms；隨著采集節(jié)點增多，丟包率上升，但不超過4%。

(2) 采用合理的功耗控制策略后，瓦斯?jié)舛炔杉?jié)點平均電流下降至約105 mA，與系統(tǒng)最大功耗狀態(tài)相比，平均電流降低了約50%，在固定容量電池供電情況下，電池使用壽命延長了1倍。

(3) 未對復雜通信環(huán)境與使用場景下系統(tǒng)的性能進行分析。因此，后期將從以下方面進一步研究：復雜通信環(huán)境中，不同頻段下的LoRa通信性能；LoRa組網(wǎng)方式對數(shù)據(jù)傳輸性能的影響；從改進通信機制角度優(yōu)化功耗控制策略。