基于 ＬｏＲａ 技术的煤矿上隅角瓦斯监测系统设计*论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：随着煤矿开采力度的加大，瓦斯的浓度会急剧增加，对工作人员的生命安全产生威胁，尤其工作面上隅角环境复杂、通风极差，导致危险更大，会直接制约着煤矿的安全生产。为了避免瓦斯超限造成严重事故，针对煤矿工作面上隅角提出了一种基于LoRa技术的煤矿上隅角瓦斯监测系统。以STM32F103单片机为核心分别设计了监测节点和汇总节点，监测节点多点采集信息并通过LoRa无线通信技术将数据发送给汇总节点，汇总节点利用GPRS技术将数据上传至服务器。通过软件设计汇总节点对瓦斯的浓度实行分级报警，并且确定监测节点位置。测试结果表明系统可以长时间、稳定可靠地工作，解决了煤矿上隅角瓦斯监测布线困难的问题，实现了监测数据的无线传输，有效避免了煤矿生产事故的发生。

　　(Cangzhou Jiaotong College，Cangzhou，Hebei 061199.China)

　　Abstract：With the increase of coal mining，the concentration of gas will increase sharply，posing a threat to the safety of workers. Especially，thecomplex environment and poor ventilation in the upper corner of the working face lead to greater risks，which will directly restrict the safeproduction of coal mines. In order to avoid serious accidents caused by gas overrun，a coal mine upper corner gas monitoring system based onLoRa technology was proposed for the upper corner of coal mine working faces. A monitoring node and a summary node were designed based onthe STM32F103 microcontroller. The monitoring node collected information from multiple points and sent the data to the summary node throughLoRa wireless communication technology. The summary node used GPRS technology to upload the data to the server. Hierarchical alarm for theconcentration of gas was designed by software at summary node，and the location of monitoring nodes was located. The test results show that th system can work stably and reliably for a long time，solve the problem of difficult wiring for gas monitoring in the upper corner of the coal mine，achieve wireless transmission of monitoring data，and effectively avoid accidents during coal mine production.

　　Key words：LoRa technology;GPRS;upper corner;gas monitoring

　　0 引言

　　目前，煤炭资源仍然是我国重要的消费能源，对我国经济快速的发展提供了重要的能源保证。不断提升的煤炭需求量导致了煤炭企业生产负荷过大，如此就会导致煤矿在生产过程中很容易产生安全隐患，为了保障煤矿安全生产、良性运转，煤矿安全监测系统的重要性就显得尤为突出。另外，瓦斯产生的安全事故尤其严重，直接制约着煤矿的安全生产，威胁着工作人员的生命安全[1] 。随着煤矿开采力度的加大，工作面上隅角因其环境复杂、通风极差，瓦斯的浓度急剧的增加，因此为了避免瓦斯超限造成严重的事故，在煤矿的开采过程中必须将瓦斯治理与瓦斯监测技术相结合，本文设计的系统在对上隅角的瓦斯进行抽采处理的同时，也能够进行瓦斯浓度的监测[2-4] 。

　　马胜利等[5-6] 研究了基于嵌入式Internet的有线方式监控上隅角瓦斯浓度，虽然有效地解决了瓦斯浓度超限的问题，但上隅角布线困难，而且线路在作业过程中极易损坏;朱伟[7] 利用Zigbee技术构建的无线传感器网络对上隅角瓦斯浓度进行监测，解决了上隅角布线困难的问题，但Zigbee属于近距离组网，穿透能力差，上隅角和煤层壁每隔一段距离就要配置一个节点，使得系统过于复杂，增加了使用成本和功耗;鉴于上隅角位置的特殊性、铺设电缆的困难，霍振龙[8] 通过对LoRa技术特点的分析提出了上隅角瓦斯监测系统，采用无线数据传输和电池供电的方式，并且与GFSK技术相比功耗更低、数据传输更稳定。

　　针对上隅角瓦斯监测系统需要满足长时间稳定可靠地工作、传输距离远等要求，本文提出了一种基于LoRa技术的煤矿上隅角瓦斯监测系统，充分利用LoRa无线通信技术低功耗、抗干扰能力强、自组网、穿透能力强等特点[ 9-10] 。该系统通过LoRa无线通信技术，以STM32F103单片机为核心分别设计了监测节点和汇总节点，监测节点将采集到的瓦斯数据传送到汇总节点，汇总节点再将瓦斯数据通过GPRS模块及时地传送到服务器上[11-12] ，同时根据瓦斯的浓度实行分级报警，并且通过监测节点发送的数据的格式判断出监测节点的位置，为煤矿井下的安全生产提供了有力的保障[13-14] 。

　　1 LoRa技术

　　是由LoRa联盟组织制定的全球标准。LoRaWAN的网络 架构主要包括终端设备、网关、服务器等。终端节点采 集的信息通过无线通信模块将信息发网关，网关通 过以太网、WiFi等将信息传送到服务器。考虑到实际的 应用需求，LoRaWAN将终端设备分为了Class A、Class B、Class C三种，如表1所示。

　　另外，LoRa作为低功耗广域网技术的一种典型代 表，具有低功耗、远距离、容量大、自组网、抗干扰性 强、穿透性强等优点。其通过线性调频扩频调制和前向 纠错编码等技术实现了低功耗远距离的通信能力，其链 路预算高达168 dB，自由空间的通信距离达15 km (与环境相关)，接收电流仅为9. 9 mA，睡眠电流为 200 nA[8] 。同时，LoRa具有很大的灵活性，其通信参数 主要包括载频(CF)、扩展因子(SF)、宽带(BW)、 编码率(CR)等。扩展因子取值6 ～ 12 之间，取值越 大，发送数据包时间越长;宽带取值在7. 8 ～ 500 kHz， 本设计只考虑125 kHz、250 kHz500 kHz三种取值，取值越大传输速度越快，取值越小传输距离越远;编码率 CR = 4 /(4 + n)(n = 1.2.3.4)，取值越小，传输数据 时间越长，所消耗的能量越大。 首先LoRa数据包结构主要由前导码、可选报头、数 据有效负载、循环冗余校验等组成，由图1所示。

　　其中前导码用于保持接收机与输入的数据流同步，默认情况下，数据包包含12个符号长度的前导码;报头可分为显示报头和隐式报头两种，默认情况下为显示报头，按照4 / 8的编码率进行发送，在特定情况下可以采用隐式报头缩短发送时间，需注意的是扩展因子为6时，必须使用隐式报头;有效负载的大小不固定，其符号数设为Npayload，则：

　　式中：PL为有效负载字节数;SF为扩频因子;使用报头时H = 0.没有报头时H = 1;低数据速率优化开启时DE = 1.否则DE= 0;CR为编码率。

　　LoRa数据包时间等于前导码时间加上有效负载的时间、即：
　　式(2)中的有效负载时间Tpayload，表达式为：

　　比特率Rb由符号周期、扩展因子SF、编码率CR共同决定，则：

　　2 瓦斯监控系统的总体设计方案

　　本瓦斯监测系统主要由监测节点和汇总节点组成，监测节点主要负责采集煤矿工作面上隅角的瓦斯浓度，并且将数据通过LoRa无线通信模块发送到汇总节点;汇总节点首先判断瓦斯的浓度属于第几级别，进而作出应的措施，再将数据通过GPRS模块传送到务器上，服务器对数据进行分析处理。图2所示为系统的结构框图。

　　2 系统的硬件设计

　　瓦斯监测系统主要设计了以STM32F103单片机为核心的瓦斯监测节点和汇总节点。其中监测节点包括主控模块、传感器模块、LoRa无线通信模块、电源模块，主要负责采集工作面上隅角的瓦斯浓度，通过LoRa无线通信模块将数据传送到汇总节点。汇总节点包括主控模块、声光报警模块、LoRa无线通信模块、GPRS模块、电源模块，主要负责将接收到的数据通过GPRS模块传送给服务器。图3所示为系统硬件结构图。

　　2. 1 系统电源的设计

　　系统电源的设计分为监测节点电源电路和汇总节点电源电路。监测节点采用大容量5 V锂电池供电，为了避免在各模块同时启动时电压突降，需要保证电流能够达到2 A左右，故采用MIC29302模块。MIC29302是一种大电流、高精度、低压差稳压器，能提供3 A的稳定工作电流[15] 。监测节点电源电路设计如图4所示。另外，汇总节点供电采用USB5V直接电源和大容量5 V锂电池供电两种方式，汇总节点电源电路设计如图5所示。其中K1为电源开关，当直接电源出现故障或者煤矿井下突然停电时，备用电池则开始为系统供电。

　　2. 2 瓦斯传感器电路设计

　　瓦斯传感器模块采用MQ-5气体传感器，其使用的材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。通过如图6所示的电路就可以将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

　　2. 3 声光报警电路的设计

　　监测节点将检测到的数据参数经过相应的处理分析得到瓦斯的气体体积分数，按险情的轻重情况分为3种报警级别，声音的频率由小到大为0. 5 Hz、1. 0 Hz、5. 0 Hz三种，灯光的颜色依次为黄色、橙色、红色3种。其中一种报警电路原理如图7所示。

　　3 系统的软件设计

　　系统软件设计主要包括监测节、汇总节点两部分。监测节点主要负责采集瓦斯数据和进行数据的无线传输。为了降低功耗，通常情况下主控器和LoRa无线传输模块处于低功耗工作状态，通过定时程序来周期性地控制监测节点进行瓦斯数据的采集与无线发送。传感器节点的软件流程如图8所示。汇总节点主要负责接收监测节点发送的数据以及数据的发送。为了确定接收到的数据属于哪个监测节点，将监测节点发送来的数据规定为监测节点号+数据+结束符的格式。首先，汇总节点在接收到数据以后进行分析处理确定监测节点号，如有异常判断瓦斯浓度属于第几级别，启动相应级别的声光报警并显示，最后将数据通过GPRS发送到服务器监控平台。汇总节点的软件流程如图9所示。

　　4 系统测试

　　上隅角瓦斯监测系统稳定工作的可靠性取决于LoRa无线通信和GPRS通信，所以选择一个地下消防通道来模拟煤矿来进行测试。布置两个监测节点和一个汇总节点，汇总节点通过GPRS连接网络服务器[16] 。LoRa功率为20 dbm，射频采用433 MHz，为了测试通信稳定性，在不断增加距离的情况下，每组发送200个数据。测试结果如表2所示。

　　由测试结果可知，随着通信距离的增加丢包率也在增加，通信距离达到0. 8 km时，丢包率为0.而通信距离达到2. 5 km的时候，丢包率为41%。为了保证数据传输的可靠性，采用确认重发机制，确保在2. 5 km内的LoRa无线通信的稳定可靠，完全满足煤矿上隅角瓦斯监测的需要。

　　5 结束语

　　本文分别对瓦斯监测系统的硬件与软件简单地进行了介绍，该监测系统硬件系统主要包括主控模块、声光报警模块、LoRa无线通信模块、GPRS模块、电源模块等，其中电源模块设计中，为了避免电源出现故障或者煤矿井下突然停电，备用电池则开始为系统供电，提升了系统的工作安全性;声光报警模块的设计中，通过声音的频率和灯光颜色的不同来分别预警险情的严重情况。并且通过LoRa技术在低速率数据无线传输方面具有传输距离远、功耗低、低成本、抗干扰能力强的特点，为煤矿上隅角瓦斯监测系统提供了一个很好的解决方案。在软件设计方面，为了降低功耗，监测节点通过定时程序来周期性地控制监测节点进行瓦斯数据的采集与无线发送;汇总节点在接收判断瓦斯浓度属于到异常数据时会判断危险属于第几级别，启动相应级别的声光报警并显示，最后将数据通过GPRS发送到服务器监控平台。本系统有效地克服了煤矿上隅角布线地困难问题，同时具有稳定可靠的通信质量，在煤矿安全监测方面有一定使用价值。

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