基于LoRa的低功耗瓦斯浓度分布式监测系统设计

潘晓博

(徐州工程学院 信息工程学院， 江苏 徐州 221008)

0 引言

由于瓦斯浓度过高导致的煤矿安全生产事故常常会造成大量的人员伤亡和经济损失，因此，煤矿瓦斯浓度的检测对于预防煤矿瓦斯灾害事故、保障矿工生命和矿井财产安全具有重要意义[1-4]。

瓦斯检测传感器类型主要包括催化燃烧型、光干涉型、红外吸收型、热导型等[5]。目前，矿用光纤甲烷传感器和催化燃烧式甲烷传感器应用广泛。其中，催化燃烧式甲烷传感器通过惠斯通电桥测量电阻变化值，实现甲烷浓度检测[6-7]，具有成本低、使用方便、精度较高和检测范围大等优点，但存在功耗较高的缺点[8-9]。

针对该问题，本文基于甲烷检测用载体催化元件，结合低功耗嵌入式系统和LoRa无线通信技术[10]，设计了一种低功耗瓦斯浓度分布式监测系统。该系统能够克服传统有线瓦斯浓度监测系统安装成本高、扩展性和灵活性差、维护工作量大等缺点[11-12]，同时，可尽可能降低系统功耗，实现远程瓦斯浓度实时采集，为煤矿井下瓦斯灾害预警提供重要的数据支持。

1 系统架构设计

基于LoRa的低功耗瓦斯浓度分布式监测系统分为数据采集层、传输层和后台服务端3个部分，其架构如图1所示,n为采集节点总数。

图1 基于LoRa的低功耗瓦斯浓度分布式监测系统架构Fig.1 Structure of low-power distributed gas concentration monitoring system based on LoRa

数据采集层由低功耗瓦斯浓度采集节点和LoRa智能网关构成。根据实际监测需要，可灵活确定瓦斯浓度采集节点的位置和数量。瓦斯浓度采集节点与LoRa智能网关之间可双向通信，实现瓦斯浓度数据上传与服务端指令下发。……