徐少偉, 郭來功, 巫鵬航, 章志飛

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

礦山勘探是研究礦產(chǎn)形成與分布的地質(zhì)條件、礦床賦存規(guī)律、礦體變化特征及工業(yè)礦床的有效查明和評價方法的實用地質(zhì)學(xué)，具有很強的工業(yè)價值。在已成鉆孔的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展安全監(jiān)測，使封閉的鉆孔也能實現(xiàn)其后續(xù)的價值，為日后采集資料奠定基礎(chǔ)，無需再花費巨資進行補充勘探，節(jié)省人力物力成本。之前發(fā)生的多起平臺地面坍塌、孔內(nèi)注水導(dǎo)致裂縫等危險事件給了人們非常大的警示，安全問題作為重中之重，從各種方面考慮都占據(jù)很大的要素。在影響礦山勘探鉆孔安全的參數(shù)中，測量鉆孔周圍的溫度、壓力參數(shù)的大小非常重要。因此，需要一套能夠?qū)崟r監(jiān)測的系統(tǒng)，對深部礦山勘探鉆孔周圍環(huán)境溫度、壓力等物理量進行監(jiān)測。當這些參數(shù)的數(shù)值超過預(yù)警時，能夠及時反映出來，提高對地質(zhì)的認識，規(guī)避危害，提前預(yù)防，減少損失，保障員工的生命安全。對于光纖光柵傳感技術(shù)和LoRa無線通訊技術(shù)在礦山安全監(jiān)測方面的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛[1-5]。在前人的研究基礎(chǔ)上，將光纖光柵傳感器和LoRa無線通信結(jié)合起來，設(shè)計出一套礦山地勘鉆孔溫壓監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示，系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感器、采集節(jié)點、匯集節(jié)點以及上位機組成。礦山勘探鉆孔周圍環(huán)境的溫度、壓力數(shù)據(jù)由光纖傳感器采集完成，數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在采集主機中，然后由采集主機通過LoRa進行無線遠距離傳輸?shù)絽R集節(jié)點，最終上傳到客戶端PC機上顯示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 采集節(jié)點硬件設(shè)計

采集節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控制器使用STM32F103RCT6，對外圍電路進行控制。LoRa使用SX1278芯片，該芯片具有低功耗、低速率、廣覆蓋的特點，滿足野外電池供電設(shè)備長時間運行的需求。STM32微控制器以SPI通信協(xié)議與SD卡進行數(shù)據(jù)交換緩存。通過8080接口與LCD進行通信，將采集到的數(shù)據(jù)和電池電量顯示出來，用于現(xiàn)場調(diào)試。光纖光柵解調(diào)儀對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行解調(diào)，再通過485總線傳輸給STM32微控制器。最后STM32微控制器將數(shù)據(jù)打包以LoRa無線傳輸?shù)男问絺魉偷絽R聚節(jié)點，完成數(shù)據(jù)采集節(jié)點的任務(wù)。

圖2 采集節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)備具有定時喚醒功能，不采集時，設(shè)備進入待機模式，使功耗盡可能降低。設(shè)計可控的電源開關(guān)電路，將傳感器、SD卡、LoRa等模塊作為一個整體，只在需要時才為其供電，進一步降低功耗。

1.2 匯聚節(jié)點硬件設(shè)計

匯聚節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由STM32微控制器、LoRa接收模塊以及485硬件通信接口模塊組成。當監(jiān)測節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)打包通過LoRa數(shù)傳模塊發(fā)送時，匯聚節(jié)點的LoRa接收模塊將接收數(shù)據(jù)并通過485總線將數(shù)據(jù)傳給STM32微控制器，再由STM32微控制器將數(shù)據(jù)重新解析打包通過485總線與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接。

圖3 匯聚節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件設(shè)計

2.1 監(jiān)測節(jié)點軟件設(shè)計

通過Keil 5平臺編寫代碼。監(jiān)測節(jié)點軟件流程如圖4所示，使用睡眠-喚醒-睡眠的工作流程，設(shè)計水壓和溫度傳感器每小時采集一次數(shù)據(jù)。監(jiān)測節(jié)點帶有SD卡數(shù)據(jù)備份功能，防止通訊故障不能成功發(fā)送數(shù)據(jù)，造成無數(shù)據(jù)生成現(xiàn)象。系統(tǒng)設(shè)計兩種喚醒方式：一種是設(shè)備上的機械按鍵喚醒，此種喚醒方式會點亮設(shè)備LCD顯示屏，顯示當前采集水壓、溫度和電量信息，方便現(xiàn)場安裝測試；一種是定時喚醒，這種方式是設(shè)備長期無人看管自運行的一種方式。

2.2 匯聚節(jié)點軟件設(shè)計

匯聚節(jié)點軟件流程如圖5所示，匯聚節(jié)點的主要任務(wù)是接收監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)重新解析打包，通過485總線傳輸給PC端上位機。傳輸結(jié)束后進入待機模式，等待下一次傳輸。

圖4 監(jiān)測節(jié)點軟件流程圖圖5 監(jiān)測節(jié)點軟件流程圖

3 系統(tǒng)測試

在完成對監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計以及利用C語言和LabVIEW完成監(jiān)測系統(tǒng)上位機部分的設(shè)計后，在實驗室環(huán)境下對系統(tǒng)進行了數(shù)據(jù)采集測試。匯聚節(jié)點在收到監(jiān)測節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)后對采集到的數(shù)據(jù)重新解析打包，然后傳輸?shù)缴衔粰C上進行顯示，在上位機界面，將監(jiān)控溫度和壓力的大小狀況一目了然地展現(xiàn)出來，如圖6所示。

在監(jiān)測光纖的周圍布置熱電偶溫度傳感器，測得溫度為26.0 ℃，分布式光纖傳感監(jiān)測的數(shù)值溫度波動在25.8～26.3 ℃之間，最大誤差為0.5 ℃。壓力部分缺少專業(yè)設(shè)備，查詢室溫下大氣壓為0.1 MPa，測得壓力為0.09～0.11 MPa，與大氣壓差值在0.01 MPa以內(nèi)，結(jié)果符合預(yù)期。具體測試曲線如圖7所示。

圖7 測試溫壓曲線

4 結(jié) 語

基于光纖光柵傳感技術(shù)和LoRa無線傳輸技術(shù)，開發(fā)了關(guān)于礦山地勘鉆孔的溫壓監(jiān)測系統(tǒng)。在礦山鉆孔環(huán)境下，光纖光柵傳感器比傳統(tǒng)溫壓傳感器的測量精度更高，使用壽命更長，抗干擾能力更好。為解決野外供電困難、傳輸距離不足的問題，選擇功耗低、傳輸距離遠的LoRa傳輸技術(shù)作為數(shù)據(jù)傳輸方式。實驗測試數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)可以準確地測量出溫度和壓力數(shù)據(jù)大小，LoRa通訊在實驗室較短距離下通訊良好。未來將會進一步在較遠距離下測試LoRa模塊的最大有效通訊距離和掉包率問題。本系統(tǒng)的研究設(shè)計為礦山地勘鉆孔的長效化利用和功能擴展問題提供了思路，對可能出現(xiàn)的突水、沖擊地壓等礦山地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警做出貢獻。