張帝，汪嬋，周小杰，權(quán)悅，國(guó)海，趙端

摘要：設(shè)計(jì)一款煤礦井下突水監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng).系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為主控芯片，搭載嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OSIII，通過(guò)各傳感器對(duì)井下的水溫、水壓、水流量、圍巖應(yīng)力等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)感知和處理;利用LoRa智能網(wǎng)關(guān)將異常水文信息上傳到地面遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)，預(yù)警突水事故;監(jiān)控服務(wù)端將預(yù)警結(jié)果下發(fā)到井下監(jiān)測(cè)站，便于井下工作人員實(shí)時(shí)準(zhǔn)確了解工作面的水情安全狀態(tài).系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)水文參數(shù)采集精度均在1.5%內(nèi)，通信丟包率不超過(guò)5%，平均功耗較低.

關(guān)鍵詞：突水監(jiān)測(cè);LoRa;STM32;預(yù)警;案例推理

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD713[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Design and Realization of Underground Water Inrush

Monitoring and Early Warning System

ZHANG Di1*，WANG Chan1，ZHOU Xiaojie1，QUAN Yue1，

GUO Hai1， ZHAO Duan2

（1.An Hui Science and Technology University，School of Electrical and Electronic Engineering，

Bengbu 233100，China;2.Internet of Things（Perception Mine）Research Center，China

University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China）

Abstract：A underground hydrological monitoring and early warning systems in coal mines was designed by this paper.The system uses STM32 singlechip microcomputer as the main control chip，and is equipped with an embedded realtime operating system uC/OSIII to perceive and process the water temperature，water pressure，water flow，surrounding rock stress and other hydrological status information of each monitoring site in the well through various sensors.The abnormal hydrological information was uploaded to the ground of remote monitoring and early warning platform by Lora smart gateway which can provide warming and prevent water inrush accidents.The monitoring server can send the early warning results to the underground monitoring station，so that the underground workers can accurately understand the water regime and safety status of the working face in real time.After system testing，the system's hydrological parameter acquisition accuracy is within 1.5%，the communication packet loss rate does not exceed 5%，and the average power consumption is very low.

Key words：Water inrush monitoring;LoRa;STM32;Early warning;Case reasoning

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，由于底板圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，常常導(dǎo)致突水事故的發(fā)生.突水事故一旦發(fā)生，因其突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大，會(huì)造成大量人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失.突水事故產(chǎn)生一般經(jīng)歷由孕育、發(fā)展到突發(fā)的階段，發(fā)展過(guò)程中會(huì)顯現(xiàn)出不同的預(yù)兆信息，若能及時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵征兆信息并進(jìn)行分析處理，則能為預(yù)測(cè)和預(yù)防突水事故提供科學(xué)依據(jù).專(zhuān)家研發(fā)并構(gòu)建煤礦井下突水監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水流量、水溫、水壓、圍巖應(yīng)力等表征突水發(fā)生的關(guān)鍵性指標(biāo)數(shù)據(jù)，構(gòu)建水害監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系和水害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，結(jié)合煤礦基本地質(zhì)概況信息實(shí)現(xiàn)井下水情的“智能分析”和突水風(fēng)險(xiǎn)的“預(yù)知預(yù)警”，指導(dǎo)井上井下工作人員及時(shí)采取防范措施，避免突水事故發(fā)生.杜國(guó)瑞[1]將不同類(lèi)型傳感器整合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)井下水文信息如水溫、水壓、水流量等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，通過(guò)RS485有線通信方式將數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控端.魏輝[2]在智能互聯(lián)網(wǎng)和水文監(jiān)測(cè)預(yù)警理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兼具數(shù)字化和自動(dòng)化的煤礦遠(yuǎn)程水文監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)信息判斷出水點(diǎn)位置.張雁[3]等指出了預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要注意的關(guān)鍵因素，提出了優(yōu)化思路.李鵬[4]基于互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了具有一體化監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程預(yù)警功能的煤礦水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水文數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控，并結(jié)合煤礦基本地質(zhì)情況給出相應(yīng)的預(yù)警方案.喬偉、靳德武[5]等設(shè)計(jì)了煤礦水害多源監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)，通過(guò)多水源監(jiān)測(cè)構(gòu)建預(yù)警模型并實(shí)現(xiàn)突水危險(xiǎn)等級(jí)判別，為遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)端提供了技術(shù)思路.本文基于uC/OSIII操作系統(tǒng)、LoRa通信技術(shù)和案例推理算法，設(shè)計(jì)了一款井下突水監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)井下水情信息的實(shí)時(shí)感知、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和安全狀態(tài)報(bào)警功能.通過(guò)案例推理算法實(shí)現(xiàn)對(duì)水情信息的處理，結(jié)合以往突水事故案例，判斷是否有發(fā)生突水的危險(xiǎn).下位機(jī)監(jiān)測(cè)終端采用STM32單片機(jī)作為主控驅(qū)動(dòng)各傳感器，實(shí)現(xiàn)井下水情信息采集，通過(guò)LoRa進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳.煤礦井下突水監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)利用低功耗硬件設(shè)計(jì)原理，使得整個(gè)系統(tǒng)可一直在低功耗狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間工作，延長(zhǎng)了系統(tǒng)使用時(shí)間.煤礦井下突水監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)可以為預(yù)測(cè)井下突水發(fā)生提供智能監(jiān)控和決策服務(wù)，保障井下安全生產(chǎn)，降低事故發(fā)生.

1總體方案設(shè)計(jì)

基于LoRa和uC/OSIII的井下突水監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層.[6]主要功能是：

（1）井下突水水情關(guān)鍵參數(shù)的感知功能，實(shí)時(shí)采集井下水溫、水壓、流量、圍巖應(yīng)力等數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)井下水情異常狀態(tài).

（2）液晶顯示功能，系統(tǒng)能夠在本地和監(jiān)測(cè)站顯示基本參數(shù)信息.

（3）無(wú)線通信功能，系統(tǒng)可將監(jiān)測(cè)的水情信息數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，然后通過(guò)LoRa智能網(wǎng)關(guān)再將各類(lèi)數(shù)據(jù)上傳到地面遠(yuǎn)程服務(wù)端，地面服務(wù)端也可通過(guò)下發(fā)指令將異常報(bào)警信息傳給井下監(jiān)測(cè)站.

（4）人機(jī)交互功能，系統(tǒng)通過(guò)按鍵設(shè)置參數(shù)狀態(tài)異常閾值，發(fā)送異常情況給地面服務(wù)端.

（5）遠(yuǎn)程服務(wù)端對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合煤礦基本地質(zhì)信息構(gòu)建突水預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)突水風(fēng)險(xiǎn)推理，給出相應(yīng)突水防治措施.

2感知層設(shè)計(jì)

2.1STM32L151單片機(jī)超低功耗核心系統(tǒng)

選用STM32L151C8T6單片機(jī)搭建主控系統(tǒng)，即為基于ARM CortexM3內(nèi)核的超低功耗型處理器.該處理器性能穩(wěn)定，功能強(qiáng)大而豐富，內(nèi)部集成高速存儲(chǔ)器，主要包含512KB Flash和80KB RAM，芯片內(nèi)核基于兩條APB外圍通信總線掛載著眾多I/O口，可驅(qū)動(dòng)多從機(jī)設(shè)備.[78]主控芯片供電電壓范圍在1.6～3.6 V，運(yùn)行頻率32 MHz，可以在超低功耗模式下工作，滿足系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)要求.

主控核心電路主要由STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)、復(fù)位電路、Flash電路、供電檢測(cè)電路、時(shí)鐘電路和聲光指示報(bào)警電路組成.供電檢測(cè)電路負(fù)責(zé)系統(tǒng)的電量實(shí)時(shí)監(jiān)控，F(xiàn)lash電路是基于AT45DB041芯片設(shè)計(jì)的，用于存儲(chǔ)液晶顯示用的字庫(kù)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程服務(wù)端發(fā)送指令信息.[9]聲光報(bào)警電路在環(huán)境監(jiān)測(cè)到異常數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)報(bào)警進(jìn)行聲光提示.主控系統(tǒng)及外設(shè)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

2.2傳感器選型

傳感器主要通過(guò)煤礦井下監(jiān)測(cè)站的傳感器監(jiān)測(cè)含水層中的水溫、水壓、水流量和圍巖應(yīng)力.水溫監(jiān)測(cè)采用防水型DS18B20溫度傳感器，測(cè)溫范圍在-55～+125 ℃.[10]傳感器與單片機(jī)通過(guò)單總線方式進(jìn)行雙向通信，利用STM32的PA.1端口實(shí)現(xiàn)電氣連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.水壓數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采用高精度HPM1801防水型壓力傳感器，5 V直接供電，量程范圍最大可達(dá)200 MPa，體積小巧，接線簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下水壓的精確測(cè)量.輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)節(jié)輸出后與主控模塊ADC連接完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和顯示.水溫水壓傳感器埋設(shè)在位于含水層和采掘工作面之間的弱含水層中[11]，采用高精度的LCZ803數(shù)字式超聲波流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集觀測(cè)孔內(nèi)水流量，直接與單片機(jī)主控GPIO口連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定時(shí)讀取并處理.采掘過(guò)程中如果因?yàn)椴蓜?dòng)底板破壞導(dǎo)致突水，則礦井中的底板壓力會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，選擇GPG75壓力傳感器檢測(cè)應(yīng)變壓力數(shù)據(jù).

2.3電源管理模塊

電源管理模塊主要為突水監(jiān)測(cè)終端供電.模塊分為三大部分，電源采用可充電的3.7 V磷酸鐵鋰電池，設(shè)計(jì)相應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換電路，取得3.3～3.3 V/5 V/18 V的電壓，滿足系統(tǒng)需求.電源管理模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示.由SGM20403.3 V轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池3.7 V轉(zhuǎn)3.3 V[12]，該電壓主要對(duì)STM32單片機(jī)主控系統(tǒng)進(jìn)行供電.基于MOS場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)的電源開(kāi)關(guān)電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)Lora通信模塊、Flash電路、聲光報(bào)警電路等的有序間斷性供電.在SGM2040輸出5 V的基礎(chǔ)上，結(jié)合MT3608升壓芯片，設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換電路，提供18 V電壓，對(duì)應(yīng)變壓力傳感器模塊供電.升壓芯片具有電壓輸出使能端，可隨時(shí)控制電源輸出.

2.4人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)井下工作人員對(duì)采集終端的操控，主要包括傳感參數(shù)的顯示和按鍵設(shè)置.顯示部分由OLED液晶與STM32主控通過(guò)IIC通信實(shí)現(xiàn)突水參數(shù)信息顯示.SCL與SDA分別與單片機(jī)的PC0和PC1端口連接.設(shè)置多路獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)報(bào)警閾值設(shè)置和手動(dòng)報(bào)警功能，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)與按鍵相連的GPIO口的高低電平狀態(tài)判斷按鍵是否按下，從而執(zhí)行相應(yīng)任務(wù).通過(guò)按鍵設(shè)置和OLED顯示功能的配合，完成人員與采集終端的人機(jī)交互.

3傳輸層設(shè)計(jì)

3.1Lora無(wú)線通信模塊

Lora無(wú)線通信模塊使用低功耗遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腖oRa技術(shù)，實(shí)現(xiàn)采集終端的數(shù)據(jù)無(wú)線通信.采用ASR6505系統(tǒng)集成的LoRa通信模組，該模組內(nèi)部集成低成本的STM8L MCU，基于超低功耗SOC芯片，射頻部分采用工作在150～960 MHz頻段范圍的SX1262芯片[13]，供電電壓2.5～3.7 V，通過(guò)串口透?jìng)髂Ｊ郊纯蓪?shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)通信.模塊與單片機(jī)主控接口連接電路如圖4所示.

3.2Lora智能網(wǎng)關(guān)

智能網(wǎng)關(guān)采用多種通信模塊組合集成的一體化設(shè)計(jì)方案，采用有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)公司的USRLG210L無(wú)線網(wǎng)關(guān)，將LoRa數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS232和RS485數(shù)據(jù)，采用USRTCP232410s將這兩類(lèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信（其中以太網(wǎng)通信模塊采用W5500芯片）.[14]Wifi無(wú)線傳輸采用ESP8266模塊，單片機(jī)發(fā)送AT指令驅(qū)動(dòng)該模塊.CAN通信模塊基于TJA1050芯片設(shè)計(jì).智能網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)傳輸速率為814 bps，具有以太網(wǎng)/RS232/RS485/WiFi/CAN通信接口.

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括下位機(jī)采集終端軟件和上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)兩部分.下位機(jī)采集終端基于集成開(kāi)發(fā)環(huán)境KEIL 5，采用C語(yǔ)言，利用STM32自帶庫(kù)函數(shù)驅(qū)動(dòng)傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā).搭載的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OSIII提供了一個(gè)多任務(wù)管理和程序設(shè)計(jì)的框架，在滿足系統(tǒng)響應(yīng)的同時(shí)，大幅提高軟件開(kāi)發(fā)效率.上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)基于QT技術(shù)，采用C++語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì).

4.1嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OSIII

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是運(yùn)行在嵌入式平臺(tái)上的系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制.[15]研究選用RTOS類(lèi)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使用C語(yǔ)言和少量匯編開(kāi)發(fā)而成.該系統(tǒng)基于可剝奪型內(nèi)核進(jìn)行設(shè)計(jì)，可對(duì)多任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和管理.因其具有內(nèi)核精簡(jiǎn)、移植性好、低功耗等特點(diǎn)，在開(kāi)發(fā)成本和降低系統(tǒng)功耗方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì).

4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序主要圍繞下位機(jī)采集終端系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì).首先對(duì)與主控連接的各外圍硬件模塊初始化，接著進(jìn)行系統(tǒng)自檢.初始化和自檢完成后，系統(tǒng)開(kāi)始與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，決定何時(shí)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)各傳感器采集突水?dāng)?shù)據(jù)，以及設(shè)置相應(yīng)報(bào)警閾值.當(dāng)檢測(cè)到傳感器數(shù)值超過(guò)設(shè)置閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警，并在液晶上顯示報(bào)警信息，驅(qū)動(dòng)電源管理模塊進(jìn)入低功耗運(yùn)行狀態(tài)減少電量消耗.

4.3數(shù)據(jù)采集處理程序設(shè)計(jì)

傳感器數(shù)據(jù)采集主要是通過(guò)STM3215L單片機(jī)驅(qū)動(dòng)各傳感器實(shí)現(xiàn)井下突水水溫、壓力、水流量和圍巖應(yīng)力的實(shí)時(shí)采集.以底板壓力參數(shù)采集為例，首先通過(guò)STM32進(jìn)行基本外設(shè)初始化，配置模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC寄存器，設(shè)置定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取并分析處理，在OLED液晶上顯示.若檢測(cè)的數(shù)據(jù)超過(guò)系統(tǒng)設(shè)置的閾值范圍，則進(jìn)行聲光報(bào)警，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或報(bào)警信息通過(guò)LoRa通信上傳到智能網(wǎng)關(guān)模塊.

4.4Lora智能網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OSIII對(duì)網(wǎng)關(guān)各功能進(jìn)行任務(wù)式設(shè)計(jì)和統(tǒng)一調(diào)度，充分利用網(wǎng)關(guān)CPU，使工作性能高效有序.首先進(jìn)行硬件初始化，然后初始化uC/OSIII，接著根據(jù)各功能構(gòu)建多任務(wù)，啟動(dòng)uC/OSIII，將任務(wù)托管在操作系統(tǒng)中進(jìn)行合理調(diào)度.[16]在構(gòu)建多任務(wù)調(diào)度時(shí)，根據(jù)功能主要?jiǎng)澐秩鐖D5所示，為各任務(wù)分配優(yōu)先級(jí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)CPU資源的快速切換實(shí)現(xiàn)并發(fā)運(yùn)行.智能網(wǎng)關(guān)在實(shí)際使用過(guò)程中可根據(jù)井下網(wǎng)絡(luò)特征確定網(wǎng)關(guān)的具體通信方式，根據(jù)確定的通信協(xié)議編寫(xiě)通信任務(wù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯入和處理.

5應(yīng)用層設(shè)計(jì)

煤礦井下突水監(jiān)測(cè)及預(yù)警平臺(tái)主要基于QT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端上位機(jī)界面及邏輯功能的設(shè)計(jì).對(duì)于突水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的預(yù)警主要通過(guò)案例推理算法實(shí)現(xiàn)，即在輸入煤礦基本地質(zhì)信息和采集到突水水情信息后，將從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索出與之相似度最高的煤礦突水案例與之匹配，以此分析判定當(dāng)前煤礦發(fā)生突水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并根據(jù)相似案例的防治水經(jīng)驗(yàn)給出防治水措施[1718]，通過(guò)案例推理實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能.首先輸入礦區(qū)的基本屬性參數(shù)，結(jié)合接收的下位機(jī)采集的傳感數(shù)據(jù)，采用相似度算法進(jìn)行案例檢索，根據(jù)相似度大小排列出煤礦案例.案例推理時(shí)用戶也可重設(shè)各參數(shù)的屬性權(quán)重，后臺(tái)根據(jù)案例相似度算法重新計(jì)算相似度并給出檢索結(jié)果.

6系統(tǒng)測(cè)試

6.1傳感器數(shù)據(jù)采集測(cè)試

下位機(jī)采集終端實(shí)時(shí)采集煤礦井下突水水情信息，如水溫、水壓、涌水量和圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù).該類(lèi)數(shù)據(jù)均可在OLED液晶上顯示查看.井下工作人員還可通過(guò)按鍵設(shè)置修改傳感參數(shù)報(bào)警閾值，通過(guò)LoRa無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與上傳.試驗(yàn)測(cè)試階段通過(guò)設(shè)置不同閾值可以驗(yàn)證報(bào)警功能是否能正常工作，另外在遠(yuǎn)程監(jiān)控端也可查看是否有數(shù)據(jù)顯示從而判斷數(shù)據(jù)是否實(shí)現(xiàn)成功上傳.多次不同環(huán)境下數(shù)據(jù)采集測(cè)試結(jié)果表明，各傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量誤差平均1%～1.5%，精度在正常要求范圍內(nèi).

6.2無(wú)線通信測(cè)試

測(cè)試通信數(shù)據(jù)丟包率和數(shù)據(jù)上傳時(shí)延進(jìn)行功能.首先將多個(gè)采集終端布置在特定煤礦井下周?chē)?，將各傳感器布置在相?yīng)位置后，給系統(tǒng)上電開(kāi)始采集數(shù)據(jù)并開(kāi)啟通信功能.這里分別配置了1，10，20，50個(gè)采集終端進(jìn)行無(wú)線通信測(cè)試.在該環(huán)境中，選中700米測(cè)試范圍，安裝一套LoRa智能網(wǎng)關(guān)配合以上采集終端進(jìn)行測(cè)試.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該下位機(jī)采集終端的傳感器將采集數(shù)據(jù)通LoRa智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳時(shí)的數(shù)據(jù)丟包率在5%以內(nèi)，數(shù)據(jù)上傳時(shí)延可控制在120 ms以內(nèi).

6.3系統(tǒng)功耗測(cè)試

當(dāng)系統(tǒng)中所有功能模塊同時(shí)工作時(shí)，無(wú)線通信模塊無(wú)數(shù)據(jù)收發(fā)，該種工況下系統(tǒng)平均消耗電流在500 mA，在12A.H鋰電池支持供電情況下系統(tǒng)可穩(wěn)定工作26小時(shí)以上.無(wú)線通信模塊有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，系統(tǒng)平均消耗電流約在600 mA，在12A.H電池供電支持下系統(tǒng)理論可以穩(wěn)定工作20小時(shí)左右.當(dāng)系統(tǒng)中所有功能模塊均處于上電待機(jī)狀態(tài)時(shí)（即無(wú)線通信模塊無(wú)數(shù)據(jù)收發(fā)），LoRa模塊休眠，主控模塊進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，其他功能子模塊斷電待機(jī).該種工況下，系統(tǒng)平均消耗電流小于15μA.功耗測(cè)試結(jié)果表明，該突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較低功耗，能夠在井下長(zhǎng)時(shí)間工作，滿足低功耗的設(shè)計(jì)要求.

7結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款煤礦井下突水監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，以超低功耗處理器STM32L151C8T6為硬件平臺(tái)，搭載嵌入式操作系統(tǒng)uC/OSIII驅(qū)動(dòng)多傳感器采集突水水情信息.井下突水監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)Lora智能網(wǎng)關(guān)適配不同井下網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，井下服務(wù)端監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)接收數(shù)據(jù)，通過(guò)案例推理匹配出相似度最大的突水案例，為煤礦井下突水發(fā)生提供預(yù)警和防治措施參考.經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，該系統(tǒng)下位機(jī)采集終端采集數(shù)據(jù)精度范圍在1.5%，通信數(shù)據(jù)丟包率和上傳時(shí)延分別在5%和120 ms內(nèi)，系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間以低功耗狀態(tài)運(yùn)行，延長(zhǎng)了適用時(shí)間.上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警端實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井信息的錄入和突水災(zāi)害發(fā)生的案例推理預(yù)警.煤礦井下突水監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)能夠進(jìn)行井下突水災(zāi)害的實(shí)時(shí)信息感知和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，對(duì)于防止突水災(zāi)害發(fā)生和煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義.

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編輯：琳莉