基于无线传感网络的水源井集中监控系统设计.docx

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1.oRa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T良好的监控效果。关键词：水源井；无线传感网络；1.oRa;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1.oRa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、1.ORa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、1.oRa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。电源模块电源模块J7STM32控制器1.oRa无线霍模块1.oRa亶通信模块STM32控制器电流、电压奏检测模块上位机压力传感器图1系统结构框图2 系统硬件设计2.1 1.C)Ra无线通信模块1.oRa模块通过E32-TT1.-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3.3V和5V的电压。模块的工作频段介于410441MHz,并且默认是在434MHZ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8km,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420mA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。3 .3电源模块考虑到系统同时需要12V、5V和3.3V的3路电源，其中核心控制器采用3.3V电源供电，放大电路需要12V电源供电，5V电源采用USB直接提供，12V电源供电通过TI公司的TPS54140线性差分稳压器实现，3.3V电源由AMSl117稳压芯片提供。4 系统软件设计4.1 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1.oRa节点传输至1.oRa汇聚节点。系统运行时，STM32核心控制器首先完成传感器和1.oRa节点的初始化；然后通过1.ORa汇聚节点实现无线传感网络组件，选择CIaSSA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。4.2 系统汇聚节点软件设计1.ORa汇聚节点流程图如图2所示。1.oRa汇聚节点实时获取1.ORa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：1.ORa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1.ORa汇聚节点发送确认信号；当系统连接完成后，1.oRa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。5 结语本文采用现代化的1.oRa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，消除了传统有线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