方 平，歐陽名三,*，郭來功，王錦鵬，朱敬賓

(1. 安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001 ；2.中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院 ，北京 100101)

0 引 言

礦井勘探鉆孔能夠有效觀測(cè)地下水文和地質(zhì)動(dòng)態(tài)，隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，有的鉆孔還可以規(guī)避不必要的風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)有研究使用一種基于GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒╗1]，基于GPRS通訊必須設(shè)立大量通訊基站，對(duì)物力人力消耗大，組網(wǎng)成本較高。分布式光纖傳感器人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)[2]使用的MySQL數(shù)據(jù)庫不夠輕量化，數(shù)據(jù)龐大時(shí)效率不夠高。礦井勘探鉆孔基本設(shè)置在荒郊僻遠(yuǎn)的地域，鉆孔監(jiān)測(cè)設(shè)備放置的環(huán)境可能比較惡劣，供電方案需要根據(jù)安裝現(xiàn)場(chǎng)的情況設(shè)計(jì)。針對(duì)大部分傳輸網(wǎng)絡(luò)通信距離短、功耗大、數(shù)據(jù)庫效率低和供電環(huán)境惡劣等問題，提出了使用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線通信，使用Pycharm與PyQt5進(jìn)行人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)，搭建SQLite數(shù)據(jù)庫，利用太陽能供電的方案，可以實(shí)現(xiàn)礦井勘探鉆孔多參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在安裝現(xiàn)場(chǎng)的低功耗穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1給出礦井勘探鉆孔多參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括三個(gè)主要部分。

圖1 礦井勘探鉆孔多參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)監(jiān)測(cè)中心

監(jiān)測(cè)中心作為系統(tǒng)的大腦，基于 SQLite 數(shù)據(jù)庫和 PyQt5 開發(fā)搭建了終端人機(jī)交互軟件。

(2)監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)

監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，利用各種傳感器在野外對(duì)鉆孔位置的水溫信息、水壓信息、應(yīng)力信息和蓄電池電壓信息等進(jìn)行采集，把測(cè)量的數(shù)據(jù)按一定格式發(fā)送到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)。野外鉆孔信息采集結(jié)構(gòu)主要由監(jiān)測(cè)主機(jī)、太陽能電池板和蓄電池電源、光纖光柵傳感分析儀、LoRa 數(shù)據(jù)通信模塊等組成。

(3)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)為監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)中心搭建起信息交流的橋梁，相當(dāng)于礦井勘探鉆孔多參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)中 LoRa 主機(jī)天線放置在不遮蔽的空曠地方，保證與監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離無差錯(cuò)通信，經(jīng)光纖光柵傳感分析儀對(duì)數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議解析，將USB轉(zhuǎn) RS-485 串行總線接入 STM32 MCU，對(duì)數(shù)據(jù)以規(guī)定格式打包發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心后，再使用 RS-485 串行總線轉(zhuǎn)USB接口接通上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互軟件對(duì)接收數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由六大模塊組成，即電源模塊，MCU模塊，LCD顯示模塊，LoRa 傳輸模塊，光纖傳感模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。電源模塊是作為系統(tǒng)的能量站，利用太陽能板給蓄電池充電，為其他模塊輸送合適的工作電壓。MCU模塊主要是實(shí)現(xiàn)STM32主控芯片對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行特定格式打包。LCD顯示模塊選用ILI9341作為控制芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單顯示，如水溫、水壓、電壓等。LoRa 傳輸模塊可以通過建立主從機(jī)之間的的連接實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)中心與監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)通信。光纖傳感模塊主要將采集的礦井勘探鉆孔數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖傳感分析儀進(jìn)行相應(yīng)處理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選擇使用SD卡，方便即時(shí)備份數(shù)據(jù)，防止LoRa 傳輸模塊意外故障或者惡劣天氣導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信失敗而造成數(shù)據(jù)包丟失。

2.1 電源模塊

考慮到礦井勘探鉆孔的位置主要分布在野外偏僻的地方，常規(guī)的電力供電方案不能滿足需要，故系統(tǒng)使用太陽能供電。系統(tǒng)的電池采用復(fù)合硅酸鹽蓄電池，其輸出為12V，該電池具有放電穩(wěn)定、安全可靠和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)中的 LoRa 無線傳輸模塊和光纖光柵傳感分析儀的工作電壓為 12V ，MCU控制模塊、存儲(chǔ)模塊和 LCD 顯示模塊等正常運(yùn)行電壓為 3.3V 或 5V。

2.2 LoRa 數(shù)傳模塊

系統(tǒng)使用SX1278作為L(zhǎng)oRa數(shù)傳終端的射頻芯片，其支持工作頻段范圍為 410-441MHz。系統(tǒng)采用超低功耗的LoRa 無線傳輸模塊組網(wǎng)，很大程度上提高了系統(tǒng)的續(xù)航能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境的可適應(yīng)性[3]。同時(shí) LoRa 技術(shù)有靈敏度較高和抗干擾能力很強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[4]。

數(shù)據(jù)通信時(shí)，由香農(nóng)定理知，如式(1)。

(1)

式中：C為信道容量,W為信道帶寬,S為平均信號(hào)功率，N為平均噪聲功率。

由式(1)知，在不改變信道容量時(shí)，信道容量與信噪比為反比關(guān)系，為了減小信道中數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸?shù)男旁氡?，選擇擴(kuò)大信道帶寬。通過擴(kuò)頻技術(shù)能夠擴(kuò)展信道帶寬，實(shí)現(xiàn)在低信噪比條件下的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸[5]。

3 人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)

礦井勘探鉆孔多參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)主要由監(jiān)測(cè)信息顯示的前端與監(jiān)測(cè)信息保存的后臺(tái)兩大部分組成，前端通過Pycharm與PyQt5軟件使用python程序設(shè)計(jì)語言編寫得到，后臺(tái)建立 SQLite 數(shù)據(jù)庫，使用 SQL 語句實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井勘探鉆孔數(shù)據(jù)的增添、調(diào)用、查詢等功能。采用RS-485 串行總線轉(zhuǎn) USB 接口與Windows操作系統(tǒng)終端相連，安裝人機(jī)交互軟件，運(yùn)行即可實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收與顯示[6]。

3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件由三大功能模塊組成：

(1)用戶登錄界面，注冊(cè)的用戶鍵盤鍵入注冊(cè)的名字與密碼，點(diǎn)擊登陸按鈕即可跳轉(zhuǎn)到多參量監(jiān)測(cè)主界面。

(2)礦井勘探鉆孔多參量監(jiān)測(cè)主界面主要由水溫?cái)?shù)據(jù)、水壓數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)、應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示五個(gè)模塊組成，用戶可以通過點(diǎn)擊控鍵框顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表格信息，同時(shí)可以查詢歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、繪制監(jiān)測(cè)曲線和打印監(jiān)測(cè)信息等。

(3)用戶管理主要包括新用戶注冊(cè)與用戶登錄，在首次進(jìn)入時(shí)可以進(jìn)行用戶注冊(cè)，并且密碼進(jìn)行了哈希加密[7]。用戶登錄輸入密碼時(shí)顯示為掩碼，能有效保護(hù)密碼安全。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)選擇建立SQLite 數(shù)據(jù)庫，主要由用戶信息管理數(shù)據(jù)表與礦井勘探鉆孔數(shù)據(jù)表組成。數(shù)據(jù)表分為用戶信息管理數(shù)據(jù)表和礦井勘探鉆孔數(shù)據(jù)表。

(1)用戶信息管理數(shù)據(jù)表

用戶信息管理數(shù)據(jù)表記錄和保存了注冊(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)交互軟件用戶的用戶名、用戶密碼等信息，用戶信息管理數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)類型如表1所示。

表1 用戶信息管理數(shù)據(jù)類型表

(2)礦井勘探鉆孔數(shù)據(jù)表

礦井勘探鉆孔數(shù)據(jù)表用來記錄礦井勘探鉆孔內(nèi)各傳感器采集的數(shù)據(jù)信息。礦井勘探鉆孔數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)類型如表2所示。

表2 礦井勘探鉆孔數(shù)據(jù)類型表

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 用戶登錄界面功能實(shí)現(xiàn)

運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)交互軟件，出現(xiàn)的用戶登錄界面如圖2所示，符合系統(tǒng)預(yù)期需求。

圖2 上位機(jī)軟件用戶登錄界面

4.2 礦井勘探鉆孔多參量監(jiān)測(cè)主界面功能實(shí)現(xiàn)

測(cè)試礦井勘探鉆孔多參量監(jiān)測(cè)主界面顯示及各功能按鍵的功能，點(diǎn)擊各個(gè)功能按鍵查看各個(gè)按鍵的響應(yīng)，監(jiān)測(cè)主界面如圖3所示。點(diǎn)擊歷史數(shù)據(jù)按鈕會(huì)顯示歷史數(shù)據(jù)表窗口如圖4所示。按下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按鍵后彈出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線窗口如圖5所示，圖5的紅色曲線為2號(hào)鉆孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，藍(lán)色曲線為1號(hào)鉆孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由于水壓數(shù)據(jù)都是0.1MPa，故兩條曲線重疊。點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置按鈕彈出串口參數(shù)設(shè)置窗口如圖6所示。

圖3 監(jiān)測(cè)主界面

圖4 歷史數(shù)據(jù)表窗口

圖5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線窗口

圖6 參數(shù)設(shè)置窗口

由上述測(cè)試結(jié)果可知，礦井勘探鉆孔多參量監(jiān)測(cè)主界面己實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求的功能，由于傳感器設(shè)備限制，地震波數(shù)據(jù)尚不可采集，其他功能皆達(dá)到了預(yù)期要求。

5 結(jié) 語

系統(tǒng)使用STM32F103RCT6作為MCU，采用LoRa組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線通信，該傳輸網(wǎng)絡(luò)可以容納3000個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)，具有很好的擴(kuò)展性，利用太陽能供電的方案，可滿足野外供電環(huán)境，并能有效降低模塊的功耗。上位機(jī)軟件采用Python程序設(shè)計(jì)，建立了SQLite 數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶登錄、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示、蓄電池電壓顯示、打印等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，礦井勘探鉆孔多參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，功耗低，穩(wěn)定性良好，可以達(dá)到對(duì)礦井勘探鉆孔多參量監(jiān)測(cè)的目的，具有較好的應(yīng)用前景。