楊宏偉 劉萍 李青山 卓源璟 權(quán)格非 韓宇琦

引言

礦井水是伴隨礦產(chǎn)開采過程中產(chǎn)生的地下涌水，受井下煤炭開采和人為活動的影響，礦井水極易受到污染，若不經(jīng)過處理直接排放，勢必會對環(huán)境造成污染，同時造成水資源浪費(fèi)。因此，對礦井水進(jìn)行監(jiān)測處理再利用，達(dá)到環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。

在礦井水的監(jiān)測過程中，保持通信暢通、快速是一個重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的礦井無線通信技術(shù)主要包括漏泄通信、ZigBee、Wi-Fi等，基于上述技術(shù)的礦井無線通信系統(tǒng)和產(chǎn)品已應(yīng)用于礦井監(jiān)控、運(yùn)輸調(diào)度、信號聯(lián)絡(luò)等方面[3-6],無線性能和覆蓋范圍相對穩(wěn)定，系統(tǒng)整體可靠性高，但存在安裝要求相對復(fù)雜、設(shè)備功耗大等問題，受通信距離、功耗、接入點(diǎn)數(shù)量等因素影響，在環(huán)境相對惡劣、數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的區(qū)域，現(xiàn)有礦井無線通信技術(shù)應(yīng)用效果不理想[7-10]。

LoRa通信技術(shù)是近年來蓬勃發(fā)展的一種遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)，采用直序擴(kuò)頻方式[11]，抗干擾性強(qiáng)，接收靈敏度高，已成為遠(yuǎn)距離、低功耗、大規(guī)模組網(wǎng)通信的理想技術(shù)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人控制、安防系統(tǒng)、智慧交通等領(lǐng)域[12-13]。LoRa的優(yōu)越性在礦井通信中得到驗(yàn)證[14]。為了實(shí)現(xiàn)礦井水實(shí)時量質(zhì)信息的采集、傳輸和存儲，本文設(shè)計(jì)了一套基于LoRa的礦井水物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)，對礦井水量質(zhì)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測。經(jīng)實(shí)際測試與分析，該系統(tǒng)可以滿足高速穩(wěn)健、低功耗、低時延的要求，提高了礦井水監(jiān)測回收利用的效率。

一、在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包括無線采集系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)和在線監(jiān)測終端三部分。無線采集系統(tǒng)由量質(zhì)傳感器、多路信號采集器、LoRa節(jié)點(diǎn)組成；物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)由帶工業(yè)路由器的集中器、節(jié)點(diǎn)、本地通信服務(wù)器組成，互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)通過路由器與采集系統(tǒng)通信；在線監(jiān)測終端包含調(diào)度中心監(jiān)測平臺，可提供遠(yuǎn)程監(jiān)測和其他移動設(shè)備監(jiān)測，調(diào)度中心監(jiān)測平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、存儲、備份、分發(fā)，供監(jiān)控主機(jī)、用戶以及其他移動端使用。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

二、在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集是礦井水在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。結(jié)合納林河二號礦的礦井水的復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)，本文采用的量質(zhì)傳感器如圖2所示，包括PH傳感器、SS傳感器、液位傳感器、水中油傳感器、電導(dǎo)率傳感器等。

其輸出信號為電流/電壓信號，多路信號采集器根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)下發(fā)的通信指令采集傳感器信號，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將數(shù)據(jù)打包、發(fā)送至目標(biāo)通信服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建中所涉及量質(zhì)傳感器以及數(shù)據(jù)傳輸模塊如圖2和圖3所示。

圖2 量質(zhì)傳感器

圖3 多路信號采集器

（二）LoRa無線通信模塊

LoRa集中器與節(jié)點(diǎn)建立星型組網(wǎng)無線采集系統(tǒng)[15]，由集中器下發(fā)采集指令，節(jié)點(diǎn)上報數(shù)據(jù)采集內(nèi)容形成穩(wěn)定、快速的無線通信鏈路。通過自定義LoRa私有通信協(xié)議，來完成所有組網(wǎng)通信。工作機(jī)制為：LoRa集中器定時輪詢-節(jié)點(diǎn)被動輪詢-依次上報節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

LoRa節(jié)點(diǎn)采用的是USR-LG206-L-C，該設(shè)備支持集中器通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)外部串口設(shè)備和LoRa集中器的互轉(zhuǎn)通信，負(fù)責(zé)維護(hù)連接網(wǎng)絡(luò)與云端服務(wù)器通信，接收從無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息并將它們發(fā)送到服務(wù)器，具有功率密度集中，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，實(shí)物圖見圖4。集中器采用的是USR-LG220-L，集中器通過USR私有協(xié)議實(shí)現(xiàn)與LoRa節(jié)點(diǎn)自由組網(wǎng)、與服務(wù)器實(shí)時通信，為礦井水監(jiān)測設(shè)備提供了遠(yuǎn)距離、低功耗的數(shù)據(jù)通信保障。

（三）在線監(jiān)測平臺

在礦井水處理流程的基礎(chǔ)上，本文搭建了礦井水在線監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)礦井水處理過程中的量質(zhì)變化和調(diào)度信息、設(shè)備狀態(tài)等信息的可視化。

為了使礦井水監(jiān)測信息得到更加直觀地顯示，礦井水在線監(jiān)測平臺的系統(tǒng)界面共分為1個主界面和8個二級界面。礦井水在線監(jiān)測平臺主界面如圖4所示，主界面動態(tài)顯示了礦井水處理流程、重要監(jiān)測指標(biāo)（液位、電導(dǎo)率、SS、PH）的實(shí)時數(shù)據(jù)變化和開關(guān)閥狀態(tài)信息等；8個二級界面由5個監(jiān)測水池界面和3個數(shù)據(jù)分析界面構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)各個水池的監(jiān)測以及歷史曲線、歷史報表、閾值報警的展示。

圖4 監(jiān)測平臺主界面/井上監(jiān)測示意圖

三、在線監(jiān)測系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

（一）大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)礦井水處理過程中人、機(jī)、物的互聯(lián)互通，對感知和傳送到的數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與控制的智能化，做到整體感知、可靠傳輸、智能處理，本文設(shè)計(jì)了基于礦井水在線監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)。大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)邏輯示意圖如圖5所示。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)源傳感檢測、無線采集模塊在線采集、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通信、現(xiàn)場監(jiān)控平臺、智能分析和遠(yuǎn)程監(jiān)控完成。

圖5 礦井水大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)邏輯示意圖

（二）大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)下的在線監(jiān)測，本項(xiàng)目搭建了一套大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)。整套硬件系統(tǒng)分為五個部分，如圖6。從空間布局上看，在本地，分為三個部分：LoRa節(jié)點(diǎn)、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場監(jiān)控平臺；在遠(yuǎn)程，分為兩個部分：智能分析平臺、遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)。

圖6 大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)場的傳感設(shè)備采集到DBT水質(zhì)水量、OAT水質(zhì)水量、9路用水點(diǎn)水量等現(xiàn)場量質(zhì)數(shù)據(jù)，通過RS485/232通訊傳送到具備LoRa節(jié)點(diǎn)功能的模擬量采集器，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)為LoRa集中器與節(jié)點(diǎn)建立的星型組網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)?，F(xiàn)場監(jiān)控平臺包括通信服務(wù)器和本地監(jiān)控主機(jī)。對礦井水量質(zhì)信息進(jìn)行實(shí)時顯示，進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)清洗、存儲、備份。智能分析平臺采用的是計(jì)算型C3百度云服務(wù)器、2核4G百度云數(shù)據(jù)庫，可以結(jié)合水質(zhì)水量標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)累加和比對。遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)可以異地監(jiān)控礦井水處理系統(tǒng)，并可以提供手機(jī)、筆記本、工作臺等多種遠(yuǎn)程接入方式。

（三）大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)

在物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)下，功能實(shí)現(xiàn)的程序流程如圖7所示，調(diào)度中心服務(wù)器經(jīng)由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與無線采集系統(tǒng)建立連接并下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令，采集系統(tǒng)響應(yīng)采集指令上傳數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有水質(zhì)水量數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)兩種類型，前者為監(jiān)測對象，后者為系統(tǒng)狀態(tài)信息，返回?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗存入本地?cái)?shù)據(jù)庫。本地?cái)?shù)據(jù)庫為調(diào)度中心提供在線監(jiān)測數(shù)據(jù)支持，同時，本地?cái)?shù)據(jù)庫進(jìn)行云數(shù)據(jù)庫備份，用云服務(wù)器計(jì)算中心進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算，并為遠(yuǎn)程和移動設(shè)備提供在線監(jiān)測數(shù)據(jù)支持。

圖7 程序流程圖

四、系統(tǒng)測試與分析

根據(jù)納林河二號礦的用水標(biāo)準(zhǔn)和處理工藝中的水質(zhì)水量變化，在礦井水工藝流程模型搭建的基礎(chǔ)上，測試了礦井水在線監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)選取礦井水處理工藝中的復(fù)用水池、高位水池、中間水池、調(diào)節(jié)預(yù)沉池和清水池為在線監(jiān)測對象，監(jiān)測電導(dǎo)率，SS，pH和液位等信息，監(jiān)測時間為1小時。為了方便進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，在實(shí)驗(yàn)前加入純凈水，實(shí)驗(yàn)開始后添加高濃度礦井水，觀察礦井水在線監(jiān)測平臺界面的變化情況。

測試結(jié)果如圖8所示，結(jié)果表明，在線監(jiān)測平臺能夠?qū)崟r反映礦井水的工藝流程的量質(zhì)信息變化。

圖8 礦井水監(jiān)測調(diào)節(jié)預(yù)沉池詳情圖

本地調(diào)度中心監(jiān)測平臺對礦井水量質(zhì)信息進(jìn)行實(shí)時顯示，通信服務(wù)器既可以進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)清洗、存儲、備份，也可以將數(shù)據(jù)傳入遠(yuǎn)程云服務(wù)器，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析運(yùn)算工作，在異地進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行控制，時效性、可靠性高。如圖9。

圖9 服務(wù)器監(jiān)測數(shù)據(jù)

結(jié)語

結(jié)合納林河二號礦井下—地面協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，本文設(shè)計(jì)的基于LoRa的礦井水物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)礦井水實(shí)時量質(zhì)信息的采集、傳輸、存儲，該系統(tǒng)可快速、準(zhǔn)確地反映礦井水動態(tài)變化情況，滿足高速穩(wěn)健、低時延、高精度、低功耗、高穿透性的要求，保證礦井水循環(huán)使用的高質(zhì)量運(yùn)行，提高了礦井水回收利用的效率，并通過數(shù)據(jù)的清洗和分發(fā)，能夠?yàn)榈V井水調(diào)度大數(shù)據(jù)泛化訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)支持。