智能礦井監測系統檢視原始碼討論檢視歷史
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智能礦井監測系統智能礦井檢測系統設計打破了以往的監控終端測量準確度不足、結構複雜、功能不足和有線的缺點。用嵌入式進行程序的編寫。主要的程序包括STM32單片機的初始化程序、傳感器[1]的初始化設定、LORA模塊的數據接收、報警模塊。用VSCode工具進行手機APP前端頁面開發。
1.創新性
(1)採用手機作為控制終端,通過將數據上傳至OneNet雲平台,可以僅通過手機APP便實現數據的實時更新與監測。
(2)採用LORA無線通信模塊,不同於WiFi,藍牙,Zigbee等無線技術,LORA實現了遠距離和低功耗的統一,它在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3-5倍,適合數據量和組網規模不大的環境。由於煤礦深井下信號覆蓋面積不廣且較弱,採用LORA通信技術的運營與維護,成本低,速度快、性能好,功耗低,非常適用於煤礦深井中的氣體監測系統。
(3)本控制系統提供人性化操作提示,具有實時監測功能,方便用戶操作。
(4)加入溫濕度感應傳感模塊,進一步加大了安全指數。
2.設計與生產
(1)系統總體設計
STM32f103c8t6是一款中密度性能線,配備ARM Cortex-M 內核STM32系列的32位的微控制器,48路LOFP封裝。它結合了一個高性能的RISC核心,72MHz工作頻率,高速嵌入式存儲器,增強的I/O範圍和外部連接兩個APB總線。Stm32f103c8t6具有12位模數轉換器、定時器、PWM定時器、標準和高級通信接口。
基於此STM32單片機和LORA通信模板,可實時採集礦井氣體質量數據,對煤礦生產中的有害氣體進行快速地檢測和報警,以實現煤礦生產安全的穩定好轉,保障煤炭工業持續健康發展。礦井氣體監測指標包括溫濕度、一氧化碳[2]、甲烷、二氧化硫等可燃氣體和有害氣體。以STM32單片機為控制核心,通過氣體檢測傳感器監測一氧化碳、甲烷等可燃氣體和有害氣體,溫濕度傳感器實時監測溫度和濕度,一旦氣體超標,則發出報警,並用LORA通信模塊把監測到的氣體濃度和溫濕度數據進行接受,通過NB-LOT模塊上傳到雲平台最後通過手機APP顯示出來。
(2)系統硬件設計
(1)電源供電模塊:採用5V供電,內置電壓轉換芯片,將5V轉至3.3V從而對各模塊提供相應的電源,保證整個系統的各個節點正常運行。
(2)傳感器的選型:
①溫濕度採集模塊:
本系統選用溫濕度傳感器型號為 DHT22數字溫濕度傳感器,其是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度複合傳感器。它應用專用的數字模塊採集技術和溫濕度傳感技術,確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件,並與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個DHT22傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準係數以程序的形式儲存在OTP內存中,傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準係數。單線制串行接口,使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗,信號傳輸距離可達20米以上,使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產品為4針單排引腳封裝。連接方便,特殊封裝形式可根據用戶需求而提供。DATA用於微處理器與DHT22之間的通訊和同步,採用單總線數據格式,一次通訊時間5ms左右 ﹐具體格式在下面說明,當前數據傳輸為40bit,高位先出。且相對於傳統的DHT11,該傳感器的精度更高、處理速度更快。
②有害氣體檢測模塊:
一氧化碳傳感器型號為MQ-7,甲烷傳感器型號為MQ-4。MQ氣體傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時,傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ氣體傳感器對甲烷的靈敏度高,對丙烷、丁烷也有較好的靈敏度。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體,特別是天然氣,是一款低成本傳感器。
③LoRa無線通信模板:
LoRa是semtech公司創建的低功耗局域網無線標準,低功耗一般很難覆蓋遠距離,遠距離一般功耗高。LoRa的名字就是遠距離無線電(Long Range Radio),它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠,實現了低功耗和遠距離的統一,它在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3-5倍,可以接收發送來的相應指令和信息,並發送給STM32,由於煤礦深井下信號覆蓋面積不廣且較弱,因此選擇LORA無線通信模塊。LORA具有如下優點:
1、改善了接收的靈敏度,降低了功耗。
高達157db的鏈路預算使其通信距離可達15公里(與環境有關)。其接收電流僅10mA,睡眠電流200nA,這大大延遲了電池的使用壽命。
2、基於該技術的網關/集中器支持多信道多數據速率的並行處理,系統容量大。
網關是節點與IP網絡之間的橋樑(通過2G/3G/4G或者Ethernet),每個網關每天可以處理500萬次各節點之間的通信(假設每次發送10Bytes,網絡占用率10%)。如果把網關安裝在現有移動通信基站的位置,發射功率20dBm(100mW),那麼在建築密集的城市環境可以覆蓋2公里左右,而在密度較低的郊區,覆蓋範圍可達10公里。
3、基於終端和集中器/網關的系統可以支持測距和定位。
LoRa對距離的測量是基於信號的空中傳輸時間而非傳統的RSSI(Received Signal Sterngth Ind-ication),而定位則基於多點(網關)對一點(節點)的空中傳輸時間差的測量。其定位精度可達5m(假設10km的範圍)。
本項目中我們採用lora通信方式將數據傳送到地面上,從而傳送到雲平台進行監測、報警,同時發送到app進行實時監測。
該系統NB-IoT通信模塊採用BC28模組,該模組體積小,支持頻段為850 MHz,工作溫度為-40℃~+85℃。NB-IoT是IoT領域的一個新興技術,支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接。NB-IoT具備四大特點:功耗方面,NB-IoT採用簡化的協議,更適合的設計,大幅提升了終端的待機時間;信號覆蓋方面,NB-IoT有更好的覆蓋能力(20dB增益)相當於提升了100倍覆蓋區域的能力;連接數量方面,NB-IoT一個扇區能夠支持10萬個連接,價格方面NB-IoT模塊的成本很低,有利於大批量的使用。
參考文獻
- ↑ 傳感器大全,收藏!,搜狐,2020-06-28
- ↑ 到底什麼是一氧化碳?掌握這幾點,關鍵時刻能救命 ,搜狐,2020-12-31