基于无线传感网络的水源井集中监控系统设计

摘要：针对矿区水源井存在分布广泛、集中控制困难，且传统有线监控方式建设成本高、维护困难等缺点，设计并实现了基于无线传感网络的水源井集中监控系统。该系统以STM32作为系统的核心控制器，构建基于LoRa的无线模块传感网络，通过压力变送器、流量变送器、电流采集模块，实现对水泵运行状态的实时监测，并将数据实时传送到上位机软件，通过软件实现对水源井水泵的集中监控。实践表明，该系统运行稳定、可靠，可实时获取设备运行状态、故障报警信息等，达到了良好的监控效果。

关键词：水源井;无线传感网络;LoRa;监控系统

0 引言

煤炭是我国三大传统能源之一，我国对煤炭能源的需求量不断增多，对于煤矿的开采技术和硬件配置方面提出了更高的要求。煤矿矿区一般比较偏僻，生产和生活用水问题都需要矿区自己解决。根据矿区结构不同，各个生产、生活区域都会设置水源井，且相互之间距离较远。传统的煤矿水源井监控主要采用工作人员定期巡检、现场操作的方式，通过电话沟通进行现场调度，无法实时获取现场水泵设备的运行状态及故障信息，因此，现场设备的运行安全性、操作实时性得不到保证，无法实时统计和获取生活、生产用水的相关数据，给企业生产和员工生活造成了重大影响。

针对上述问题，本文设计并实现了基于无线传感网络的水源井集中监控系统。该系统通过LoRa构建无线传感网络，实现数据的远程集中监控，避免了传统有线监控方式带来的高建设成本、高维护费用等问题，大大提高了监控系统的稳定性和监控效率。

1 系统总体方案设计

整个系统下位机部分主要包括终端节点和汇聚节点两个部分。其中，终端节点主要由STM32核心控制器、LoRa无线通信模块、电流电压数据获取模块、压力数据获取模块、开关信号获取模块和电源模块共同组成，负责获取现场数据并将其转发给汇聚节点。汇聚节点主要包含STM32核心控制器、LoRa无线通信模块和电源模块，负责转发终端节点发送过来的数据，并实现与上位机的实时通信。整个系统的结构框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1    LoRa无线通信模块

LoRa模块通过E32-TTL-100实现无线通信，该模块基于高温定性的SX1278射频芯片，数据传输采用串口且透明传输的方式，同时可以兼容3.3 V和5 V的电压。模块的工作频段介于410～441 MHz，并且默认是在434 MHz的情况下通信。该模块采用了扩频技术，使得传输距离可以达到8 km，完全可以满足本系统水源井集中监控的实际需要。该模块在数据上采用了软件的FEC前向纠错算法，使其具有很强的主动纠错能力，大大提高了数据传输的稳定性。

2.2    数据采集模块

本系统的数据采集模块主要采集和获取水源井水泵的出水压力、开关量信号和电量信号等数据。

压力变送器根据实际需要，选用1151系列高温型压力变送器，可对水泵出水压力进行直接检测，变送器输出信号为4～20 mA的标准电流模拟信号，通过采样、放大、滤波后传给STM32的AD模块I/O口。

开关量信号的采集主要通过不断获取继电器的开关状态实现，继电器的开关状态为数字量。

电量采集模块主要通过现场装设电流互感器、电压互感器，并经过滤波处理后获得标准的AD输入电压，间接获取水泵的实时运行电压值和电流值。

2.3    电源模块

考虑到系统同时需要12 V、5 V和3.3 V的3路电源，其中核心控制器采用3.3 V电源供电，放大电路需要12 V电源供电，5 V电源采用USB直接提供，12 V电源供电通过TI公司的TPS54140线性差分稳压器实现，3.3 V电源由AMS1117稳压芯片提供。

3 系统软件设计

3.1    系统终端节点软件设计

系统终端节点通过各类变送器及处理电路获取实时数据，并通过LoRa节点传输至LoRa汇聚节点。系统运行时，STM32核心控制器首先完成传感器和LoRa节点的初始化;然后通过LoRa汇聚节点实现无线传感网络组件，选择ClassA工作模式，并对上下行链路的相关信息进行设置，发送相应的入网请求;最后会对是否入网的状态进行确认，若不成功，则会继续组建网络，直到网络组建成功为止。

3.2    系统汇聚节点软件设计

LoRa汇聚节点流程图如图2所示。LoRa汇聚节点实时获取LoRa终端节点上传的各类实时监测到的水泵运行相关数据，并通过串口发送给上位机，上位机与服务器相连，数据实时在服务器进行备份。具体流程为：LoRa汇聚节点向服务器申请连接，并进入到保持等待状态;当服务器判断为连接申请后，会向LoRa汇聚节点发送确认信号;当系统连接完成后，LoRa汇聚节点会将终端节点发送过来的数据进行处理后发送至服务器。

4 结语

本文采用现代化的LoRa无线通信方式构建无线传感网络，实现对煤矿水源井的出水压力、开关量信号和电量信号等数据的实时获取和处理，消除了传统有線传输方式存在的建设成本高、维护成本高、扩展困难等缺陷。该系统通过在山西某矿区的实际运行表明，其能够对水源井进行实时监测和控制，具有较强的应用和推广价值。

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收稿日期：2020-06-22

作者简介：底伟（1971—），男，河北新乐人，电气工程师，研究方向：电气控制。