CN107705529A - 一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置，包括设置于矿井内的传感器、LoRa网关、通信基站以及用户终端；传感器包括单片机，单片机连接有CMOS信号处理电路、存储模块以及电压转换模块，CMOS信号处理电路连接有温度传感器、湿度传感器、气压传感器、瓦斯检测传感器、粉尘检测传感器以及LoRa射频天线，电压转换模块连接有第一电源模块；LoRa网关包括微处理器，微处理器连接有GSM通信模块、LoRa射频收发模块、外部存储器以及第二电源模块；通信基站通过GSM网络连接有云服务器，云服务器通过互联网与用户终端相连；本发明具有传输距离远、节省敷设成本、降低人员劳动强度、有效防止数据衰减、提高管理效率的优点。

Description

一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置

技术领域

本发明属于无线传感器技术领域，具体涉及一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置。

背景技术

我国地下拥有丰富的矿产资源，尤其是煤炭、金属、稀有金属等矿产资源蕴藏丰富，而这些矿产资源的开采，多是在地下进行，地下矿井的空间狭小，通风效果很差，矿井挖掘工人长期处于通风效果差的环境对健康有严重的损害；而且地下水资源丰富，甚至会向矿井中渗水，从而使得矿井非常潮湿，工人长期处于潮湿的工作环境，对身体健康具有严重的影响；另外，对于地下煤矿来说，矿井内含有大量依然的瓦斯气体，当矿井内的瓦斯气体达到一定值时，很容易出现爆炸安全性事故，从而造成严重的人员伤亡和财产损失。

因此，为了实时监测地下矿井的环境，尤其是煤矿，矿井管理单位长采用专用的矿井环境监测设备，对矿井中的温度、湿度、压力、瓦斯浓度、粉尘浓度进行监测，以便矿井管理方实时了解矿井的工作环境，如果监测指标出现异常，将作出相应的应急处理，来保证矿井中工人的人身安全。

然而，目前现有的矿井环境监测装置，有的是的随机移动的掘进工作面和连采工作面的采掘设备中安装矿井环境监测装置，来对地下煤矿进行环境监测，这样的监测方式智能在掘进设备进入地下矿井中才能进行监测，而当人员进行地下矿石开采时，是无法对地下矿井环境进行监测的；还有一些环境监测装置是采用ZigBee无线网络进行传输，在地下矿井中固定安装相应的环境监测设备，通过ZigBee网络对采集的数据进行传输，然而ZigBee网络传输距离近，对于远距离的信息传输，是受限的，而且基于ZigBee无线网络传输的环境监测设备需要接直供电，由于矿井的空间都相对狭窄，引入过多线路会导致矿井线路杂乱，进一步减小矿金的有效空间。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种传输距离远、运行成本低、抗干扰能力强的基于LoRa的矿井用无线数据采集装置。

本发明的技术方案如下：

一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置，包括设置于矿井内的传感器、LoRa网关、通信基站以及用户终端；

所述传感器包括单片机，所述单片机连接有CMOS信号处理电路、存储模块以及电压转换模块，所述CMOS信号处理电路连接有温度传感器、湿度传感器、气压传感器、瓦斯检测传感器、粉尘检测传感器以及LoRa射频天线，所述电压转换模块连接有第一电源模块；

所述LoRa网关包括微处理器，所述微处理器连接有GSM通信模块、LoRa射频收发模块、外部存储器以及第二电源模块；

所述传感器通过LoRa通信网络与LoRa网关相连，所述通信基站通过GSM网络与LoRa网关相连，通信基站通过GSM网络连接有云服务器，所述云服务器通过互联网与用户终端相连。

所述LoRa网关设置在距离矿井口不小于1Km处。

所述微处理器为嵌入式处理器，所述GSM通信模块、LoRa射频收发模块、外部存储器以及微处理器集成在1个PCB板上。

所述传感器为单芯片集成多环境兼容性传感器。

所述单片机、电压转换模块、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、瓦斯检测传感器、粉尘检测传感器均安装在硅转接板上。

所述CMOS信号处理电路与存储模块互连后，均通过TSV连接在单片机上。

所述用户终端为PC终端机、手机、平板电脑中的任一种或多种。

所述用户终端与云服务器通过光纤网络、WIFI网络、4G网络中的任一种进行连接。

所述第一电源模块以及第二电源模块均为蓄电池，且第一电源模块可拆卸安装在传感器上，第二电源模块可拆卸安装在LoRa网关上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用LoRa通信技术，只需在地下矿井内安装集成式传感器对地下矿井的环境进行监测，同时将多个集成式传感器通过LoRa通信网络与LoRa网关相连，有效的减少地下矿井内的布线，提高地下矿井内的有效空间；

2、采用单芯片集成多环境兼容性传感器对地下矿井内的工作环境进行实时监测，充分的节省地下矿井的空间，避免传感器对矿井内的掘进机械产生影响；

3、利用LoRa射频天线发射的高穿透性射频信号，避免传感器监测到的数据在传输过程中被衰减，提高监测数据的可靠性；

4、用户终端作为监控系统的管理后台，对传感器监测的数据进行调阅，故障监测，并做出应答，减少人员现场巡检的过程，有效降低管理人员的工作强度，提高管理效率；

5、每个矿井只需配备一个LoRa网关和多个传感器，并通过通信基站对数据信息进行传送，通过云服务器对数据信息进行存储，并同用户终端进行信息功效，提高地下矿井安全管理效率；

总之，本发明具有传输距离远、节省敷设成本、降低人员劳动强度、有效防止数据衰减、提高管理效率的优点。

附图说明

图1为本发明的系统示意图。

图2为本发明的LoRa网关的结构框图。

图3为本发明的传感器结构框图。

其中，1、传感器，101、单片机，102、CMOS信号处理电路，103、存储模块，104、电压转换模块，105、温度传感器，106、湿度传感器，107、气压传感器，108、瓦斯检测传感器，109、粉尘检测传感器，110、LoRa射频天线，111、第一电源模块，2、LoRa网关，201、微处理器，202、GSM通信模块，203、LoRa射频收发模块，204、外部存储器，205、第二电源模块，3、通信基站，4、用户终端，5、云服务器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置，包括设置于矿井内的传感器1、LoRa网关2、通信基站3以及用户终端4，所述传感器1包括用于接收处理数据的单片机101，所述单片机101连接有CMOS信号处理电路102、存储模块103以及电压转换模块104，所述CMOS信号处理电路102连接有用于监测矿井内温度的温度传感器105、用于监测矿井湿度的湿度传感器106、用于监测矿井内空气压力的气压传感器107、用于监测矿井内瓦斯浓度的瓦斯检测传感器108、用于监测矿井内粉尘颗粒浓度的粉尘检测传感器109以及用于向LoRa网关2发送数据信息的LoRa射频天线110，所述电压转换模块104连接有用于向传感器1内各用电模块提供电源的第一电源模块111；所述LoRa网关2包括用于接收处理传感器1传输的数据信息的微处理器201，所述微处理器201连接有用于实现LoRa网关2与基站3进行数据传输的GSM通信模块202、用于接收传感器1上LoRa射频天线110发送数据信息的LoRa射频收发模块203、用于存储数据信息的外部存储器204以及用于向LoRa网关2提供电能的第二电源模块205；所述传感器1通过LoRa通信网络与LoRa网关2相连，从而实现矿井下数据信息的远距离传输，所述通信基站3通过GSM网络与LoRa网关2相连，通信基站3通过GSM网络连接有云服务器5，从而实现LoRa网关2接收到的传感器1的数据信息传输至云服务器5，所述云服务器5通过互联网与用户终端4相连，从而实现云服务器5内存储的矿井安全数据信息与用户终端4之间的共享。

在本实施例中，所述LoRa网关2设置在距离矿井口不小于1km处，能够有效保证LoRa网关2接收地下矿井内的传感器1传输的信息的即时性和稳定性；所述微处理器201为嵌入式处理器，所述GSM通信模块202、LoRa射频收发模块203、外部存储器204以及微处理器201集成在1个PCB板上；所述传感器2为单芯片集成多环境兼容性传感器，从而减小传统传感器的体积，有效节约地下矿井空间；所述单片机101、电压转换模块104、温度传感器105、湿度传感器106、气压传感器107、瓦斯检测传感器108、粉尘检测传感器109均安装在硅转接板上，从而实现电压转换模块104、温度传感器105、湿度传感器106、气压传感器107、瓦斯检测传感器108、粉尘检测传感器109组成的多传感器的协同工作效率，提高监测数据的有效性；所述CMOS信号处理电路102与存储模块103互连后，均通过TSV连接在单片机101上；所述用户终端4为PC终端机、手机、平板电脑中的任一种或多种；所述用户终端4与云服务器5通过光纤网络、WIFI网络、4G网络中的任一种进行连接；所述第一电源模块111以及第二电源模块205均为蓄电池，且第一电源模块111可拆卸安装在传感器1上，第二电源模块205可拆卸安装在LoRa网关2上，从而实现传感器1和LoRa网关2的电源模块的充电与更换，采用可充电的蓄电池为各用电模块提供电能，避免向传感器1和LoRa网关2单独接入供电线路，减少地下矿井内供电线路的敷设，既能有效减少施工负荷，又能有效避免影响掘进设备的工作。

在本发明中，采用星型结构实现LoRa网关2与传感器1之间一对多的数据信息传输，并且传感器15与LoRa网关2之间采用无线传输的形式，简化网络布线，节省地下矿井的空间，同时LoRa通信网络具有较强的穿透性，可以使得传感器1的监测信息向LoRa网关2的远距离传输，提高数据信息的传输有效性。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置，包括设置于矿井内的传感器（1）、LoRa网关（2）、通信基站（3）以及用户终端（4），其特征在于：

所述传感器（1）包括单片机（101），所述单片机（101）连接有CMOS信号处理电路（102）、存储模块（103）以及电压转换模块（104），所述CMOS信号处理电路（102）连接有温度传感器（105）、湿度传感器（106）、气压传感器（107）、瓦斯检测传感器（108）、粉尘检测传感器（109）以及LoRa射频天线（110），所述电压转换模块（104）连接有第一电源模块（111）；

所述LoRa网关（2）包括微处理器（201），所述微处理器（201）连接有GSM通信模块（202）、LoRa射频收发模块（203）、外部存储器（204）以及第二电源模块（205）；

所述传感器（1）通过LoRa通信网络与LoRa网关（2）相连，所述通信基站（3）通过GSM网络与LoRa网关（2）相连，通信基站（3）通过GSM网络连接有云服务器（5），所述云服务器（5）通过互联网与用户终端相连。

2.如权利要求1所述的一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置，其特征在于：所述LoRa网关（2）设置在距离矿井口不小于1km处。

3.如权利要求1所述的一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置，其特征在于：所述微处理器（201）为嵌入式处理器，所述GSM通信模块（202）、LoRa射频收发模块（203）、外部存储器（204）以及微处理器（201）集成在1个PCB板上。

4.如权利要求1所述的一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置，其特征在于：所述传感器（2）为单芯片集成多环境兼容性传感器。

5.如权利要求5所述的一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置，其特征在于：所述单片机（101）、电压转换模块（104）、温度传感器（105）、湿度传感器（106）、气压传感器（107）、瓦斯检测传感器（108）、粉尘检测传感器（109）均安装在硅转接板上。

6.如权利要求5所述的一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置，其特征在于：所述CMOS信号处理电路（102）与存储模块（103）互连后，均通过TSV连接在单片机（101）上。

7.如权利要求1所述的一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置，其特征在于：所述用户终端（4）为PC终端机、手机、平板电脑中的任一种或多种。

8.如权利要求1所述的一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置，其特征在于：所述用户终端（4）与云服务器（5）通过光纤网络、WIFI网络、4G网络中的任一种进行连接。

9.如权利要求1所述的一种基于LoRa的矿井用无线数据采集装置，其特征在于：所述第一电源模块（111）以及第二电源模块（205）均为蓄电池，且第一电源模块（111）可拆卸安装在传感器（1）上，第二电源模块（205）可拆卸安装在LoRa网关（2）上。