矿井勘探钻孔多参量监测系统设计①

方 平，欧阳名三,*，郭来功，王锦鹏，朱敬宾

(1. 安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001 ；2.中化地质矿山总局地质研究院 ，北京 100101)

0 引 言

矿井勘探钻孔能够有效观测地下水文和地质动态，随着传感器技术的快速发展，有的钻孔还可以规避不必要的风险。国内有研究使用一种基于GPRS进行数据传输的方法[1]，基于GPRS通讯必须设立大量通讯基站，对物力人力消耗大，组网成本较高。分布式光纤传感器人机交互软件设计[2]使用的MySQL数据库不够轻量化，数据庞大时效率不够高。矿井勘探钻孔基本设置在荒郊僻远的地域，钻孔监测设备放置的环境可能比较恶劣，供电方案需要根据安装现场的情况设计。针对大部分传输网络通信距离短、功耗大、数据库效率低和供电环境恶劣等问题，提出了使用LoRa技术实现数据无线通信，使用Pycharm与PyQt5进行人机交互软件设计，搭建SQLite数据库，利用太阳能供电的方案，可以实现矿井勘探钻孔多参量监测系统在安装现场的低功耗稳定运行。

1 系统结构设计

图1给出矿井勘探钻孔多参量监测系统结构设计，包括三个主要部分。

图1 矿井勘探钻孔多参量监测系统结构图

(1)监测中心

监测中心作为系统的大脑，基于 SQLite 数据库和 PyQt5 开发搭建了终端人机交互软件。

(2)监测子节点

监测子节点是系统的数据源，利用各种传感器在野外对钻孔位置的水温信息、水压信息、应力信息和蓄电池电压信息等进行采集，把测量的数据按一定格式发送到数据中转节点。野外钻孔信息采集结构主要由监测主机、太阳能电池板和蓄电池电源、光纤光栅传感分析仪、LoRa 数据通信模块等组成。

(3)数据中转节点

数据中转节点为监测子节点和监测中心搭建起信息交流的桥梁，相当于矿井勘探钻孔多参量监测系统的网关。数据中转节点中 LoRa 主机天线放置在不遮蔽的空旷地方，保证与监测子节点的远距离无差错通信，经光纤光栅传感分析仪对数据按照通信协议解析，将USB转 RS-485 串行总线接入 STM32 MCU，对数据以规定格式打包发送至监测中心后，再使用 RS-485 串行总线转USB接口接通上位机，实现人机交互软件对接收数据的显示与存储。

2 系统硬件设计

系统硬件结构由六大模块组成，即电源模块，MCU模块，LCD显示模块，LoRa 传输模块，光纤传感模块和数据存储模块。电源模块是作为系统的能量站，利用太阳能板给蓄电池充电，为其他模块输送合适的工作电压。MCU模块主要是实现STM32主控芯片对接收的数据进行特定格式打包。LCD显示模块选用ILI9341作为控制芯片，实现对现场钻孔监测数据的简单显示，如水温、水压、电压等。LoRa 传输模块可以通过建立主从机之间的的连接实现监测中心与监测子节点的远距离无线数据通信。光纤传感模块主要将采集的矿井勘探钻孔数据发送至光纤传感分析仪进行相应处理。数据存储模块选择使用SD卡，方便即时备份数据，防止LoRa 传输模块意外故障或者恶劣天气导致数据通信失败而造成数据包丢失。

2.1 电源模块

考虑到矿井勘探钻孔的位置主要分布在野外偏僻的地方，常规的电力供电方案不能满足需要，故系统使用太阳能供电。系统的电池采用复合硅酸盐蓄电池，其输出为12V，该电池具有放电稳定、安全可靠和使用寿命长的特点。系统中的 LoRa 无线传输模块和光纤光栅传感分析仪的工作电压为 12V ，MCU控制模块、存储模块和 LCD 显示模块等正常运行电压为 3.3V 或 5V。

2.2 LoRa 数传模块

系统使用SX1278作为LoRa数传终端的射频芯片，其支持工作频段范围为 410-441MHz。系统采用超低功耗的LoRa 无线传输模块组网，很大程度上提高了系统的续航能力，增强了系统数据传输环境的可适应性[3]。同时 LoRa 技术有灵敏度较高和抗干扰能力很强的优点[4]。

数据通信时，由香农定理知，如式(1)。

(1)

式中：C为信道容量,W为信道带宽,S为平均信号功率，N为平均噪声功率。

由式(1)知，在不改变信道容量时，信道容量与信噪比为反比关系，为了减小信道中数据准确传输的信噪比，选择扩大信道带宽。通过扩频技术能够扩展信道带宽，实现在低信噪比条件下的数据准确传输[5]。

3 人机交互软件设计

矿井勘探钻孔多参量监测系统的人机交互软件设计主要由监测信息显示的前端与监测信息保存的后台两大部分组成，前端通过Pycharm与PyQt5软件使用python程序设计语言编写得到，后台建立 SQLite 数据库，使用 SQL 语句实现对矿井勘探钻孔数据的增添、调用、查询等功能。采用RS-485 串行总线转 USB 接口与Windows操作系统终端相连，安装人机交互软件，运行即可实现串口数据的接收与显示[6]。

3.1 软件功能设计

上位机软件由三大功能模块组成：

(1)用户登录界面，注册的用户键盘键入注册的名字与密码，点击登陆按钮即可跳转到多参量监测主界面。

(2)矿井勘探钻孔多参量监测主界面主要由水温数据、水压数据、监测数据、电压数据、应力数据显示五个模块组成，用户可以通过点击控键框显示对应的数据表格信息，同时可以查询历史监测数据、绘制监测曲线和打印监测信息等。

(3)用户管理主要包括新用户注册与用户登录，在首次进入时可以进行用户注册，并且密码进行了哈希加密[7]。用户登录输入密码时显示为掩码，能有效保护密码安全。

3.2 数据库设计

系统数据库设计选择建立SQLite 数据库，主要由用户信息管理数据表与矿井勘探钻孔数据表组成。数据表分为用户信息管理数据表和矿井勘探钻孔数据表。

(1)用户信息管理数据表

用户信息管理数据表记录和保存了注册监测系统人机交互软件用户的用户名、用户密码等信息，用户信息管理数据表的数据类型如表1所示。

表1 用户信息管理数据类型表

(2)矿井勘探钻孔数据表

矿井勘探钻孔数据表用来记录矿井勘探钻孔内各传感器采集的数据信息。矿井勘探钻孔数据表的数据类型如表2所示。

表2 矿井勘探钻孔数据类型表

4 测试结果与分析

4.1 用户登录界面功能实现

运行监测系统人机交互软件，出现的用户登录界面如图2所示，符合系统预期需求。

图2 上位机软件用户登录界面

4.2 矿井勘探钻孔多参量监测主界面功能实现

测试矿井勘探钻孔多参量监测主界面显示及各功能按键的功能，点击各个功能按键查看各个按键的响应，监测主界面如图3所示。点击历史数据按钮会显示历史数据表窗口如图4所示。按下实时数据按键后弹出实时数据曲线窗口如图5所示，图5的红色曲线为2号钻孔监测数据，蓝色曲线为1号钻孔监测数据，由于水压数据都是0.1MPa，故两条曲线重叠。点击参数设置按钮弹出串口参数设置窗口如图6所示。

图3 监测主界面

图4 历史数据表窗口

图5 实时数据曲线窗口

图6 参数设置窗口

由上述测试结果可知，矿井勘探钻孔多参量监测主界面己实现系统需求的功能，由于传感器设备限制，地震波数据尚不可采集，其他功能皆达到了预期要求。

5 结 语

系统使用STM32F103RCT6作为MCU，采用LoRa组网进行数据的无线通信，该传输网络可以容纳3000个传感器采集节点，具有很好的扩展性，利用太阳能供电的方案，可满足野外供电环境，并能有效降低模块的功耗。上位机软件采用Python程序设计，建立了SQLite 数据库，能够实现用户登录、参数设置、监测数据显示、蓄电池电压显示、打印等功能。试验结果表明，矿井勘探钻孔多参量监测系统可扩展性强，功耗低，稳定性良好，可以达到对矿井勘探钻孔多参量监测的目的，具有较好的应用前景。