基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置及通讯方法与流程

本发明涉及一种基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置及通讯方法，属于无线传感和网络通讯领域。

背景技术：

矿井火灾是煤矿的主要灾害之一，其中，比较突出的为自然发火的问题，且采空区的自然发火占主体地位，因此实时掌握采空区自燃火灾数据，对预防采空区煤炭自燃发火具有重要意义。目前，为了解决上述问题，设计了一种基于ZIGBEE的无线自组网设备，该设备可实时采集煤矿采空区温度和气体浓度，但是ZIGBEE技术容易受到煤柱、矸石等障碍物遮挡，绕射能力弱，通讯距离短，稳定性差，并且ZIGBEE采用无线网格mesh组网，能耗高，在电池供电情况下工作时间有限。

技术实现要素：

根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的问题是：提供一种结构设计合理，通讯稳定性好，能够保证设备长期稳定运行，有效保证煤矿采空区环境监测数据的实时性和准确性的基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置及通讯方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述的基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置，在靠近工作面的进风巷区域设置网关，在采空区和工作面之间设置M个工作面无线传感装置，网关通过485线连接M个工作面无线传感装置，对应M个工作面无线传感装置在采空区分别设置N个无线传感采集装置，无线传感采集装置包括处理器，处理器通过电源开关电路连接电池，处理器的通信端口连接气体传感器和温湿度传感器，气体传感器通过电压变换电路连接电源开关电路，处理器还连接存储器和无线传感LORA模块，无线传感LORA模块连接电池，所述的N个无线传感采集装置通过无线传感采集装置的无线传感LORA模块实现无线通讯连接。

基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置通过无线传感LORA模块进行通讯，采用SX127X扩频技术，可实现长距离、稳定性通讯，且LORA模块初始化为省电模式，功耗很低，当需要发送数据时，自动配置为唤醒模式，发送完数据后再自动配置为省电模式，满足电池长期工作，本发明能够有效保证煤矿采空区环境监测数据的实时性和准确性，能够及时准确的监测煤矿采空区温湿度及多种气体含量，经地面工作站分析预警，为矿井安全生产提供技术保障，具有较强的实用性。

进一步的优选，处理器通过参数配置电路连接电脑，采用USB端口通讯，既便于工作参数的配置，又便于系统的升级。

进一步的优选，处理器采用STM32L系列单片机，功耗低，适合电池供电，能够保证装置长期稳定运行。

进一步的优选，气体传感器采用一氧化碳传感器、氧气传感器、甲烷传感器和硫化氢传感器中的任意一种或几种的组合。

进一步的优选，电池采用两节锌锰电池串联。

所述的基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置的通讯方法，包括以下步骤：

(1)网关发送数据采集命令至工作面无线传感采集装置，工作面无线传感采集装置通过无线传感LORA模块向第N个无线传感采集装置转发采集信号后开启气体传感器和温湿度传感器进行环境数据的采集，环境数据采集完成后关闭气体传感器和温湿度传感器，等待接收下游无线传感采集装置的环境数据；第N个无线传感采集装置通过无线传感LORA模块向第N-1个无线传感采集装置转发采集信号后开启气体传感器和温湿度传感器进行环境数据的采集，环境数据采集完成后关闭气体传感器和温湿度传感器，等待接收下游无线传感采集装置的环境数据；从第N-1个无线传感采集装置到第1个无线传感采集装置依次重复上述过程；

(2)当第1个无线传感采集装置完成环境数据采集后，并且判断第1个无线传感采集装置为最终端的无线传感采集装置，则通过第1个无线传感采集装置的无线传感LORA模块向第2个无线传感采集装置传送采集数据，第2个无线传感采集装置所采集的环境数据融合第1个无线传感采集装置所采集的环境数据后传送至第3个无线传感采集装置并进行数据融合，依次类推，直至与第N个无线传感采集装置所采集的环境数据融合后传送至对应的工作面无线传感采集装置，工作面无线传感采集装置将数据融合后传送至对应的网关，网关通过煤矿环网将环境数据传递到地面工作站，进行分析预警。

所述的基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置通讯方法的数据采集和传送的具体步骤为：

(1)采集数据时，网关给对应的工作面无线传感采集装置发送数据采集命令，工作面无线传感采集装置给对应的采空区无线传感采集装置转发数据采集命令，无线传感采集装置接收到无线信号后，判断是否为本无线传感采集装置及上游无线传感采集装置的数据采集命令；若不是，则继续保持睡眠状态，若是，再判断本无线传感采集装置是否为最终端的无线传感采集装置；(2)若本无线传感采集装置是最终端的无线传感采集装置，则执行以下步骤：

a、开启本无线传感采集装置的气体传感器和温湿度传感器，通过传感器采集周围的环境数据，气体传感器和温湿度传感器将所采集的环境数据传送至存储器；

b、环境数据采集完毕后，气体传感器和温湿度传感器停止工作，处理器将获得的环境数据通过无线传感LORA模块传送至对应的工作面无线传感采集装置，然后传送至网关，网关通过煤矿环网将环境数据传递到地面工作站，进行分析预警；

若本无线传感采集装置不是最终端的无线传感采集装置，则执行以下步骤：

a、本无线传感采集装置转发数据采集命令，同时开启本无线传感采集装置的气体传感器和温湿度传感器，通过本无线传感采集装置的气体传感器和温湿度传感器采集环境数据；其中，在转发数据采集命令时，当某个无线传感采集装置消亡，如果消亡无线传感采集装置的两侧节点还能接收到彼此数据，则网络继续传输。网关发送数据采集命令，网络无线传感采集装置N、无线传感采集装置N-1、无线传感采集装置N-2等都有可能接收到数据采集命令，此时无线传感采集装置N具有优先转发网关数据功能。若无线传感采集装置N-1也接收到网关数据时，开始定时t1。在t1内，若无线传感采集装置N-1接收到节点N转发的数据采集命令，则无线传感采集装置N-1取消定时功能；若在t1后无线传感采集装置N-1不能接收到无线传感采集装置N转发的数据采集命令，则无线传感采集装置N-1认为节点N消亡，无线传感采集装置N-1开始转发数据采集命令。

b、本无线传感采集装置采集完环境数据后，关闭气体传感器和温湿度传感器，等待接收下游无线传感采集装置的环境数据；下游接收到采集信号后，重复步骤a和步骤b的过程；

c、上游和下游的无线传感采集装置通过无线传感LORA模块进行通讯，当本无线传感采集装置接收到下游无线传感采集装置的环境数据后，本无线传感采集装置的环境数据融合下游无线传感采集装置的环境数据后，通过无线传感LORA模块向上游无线传感采集装置传送，直至传送到对应的工作面无线传感采集装置，然后传送至网关，网关通过煤矿环网将环境数据传递到地面工作站，进行分析预警；其中，网关发送数据采集命令，各网络无线传感采集装置接收到数据采集命令后，当远离工作面的某无线传感采集装置出现消亡，而靠近工作面的无线传感采集装置不能接收到低节点的环境数据，此时它要根据定时时间主动开启上传功能，然后依次上传未消亡的无线传感采集装置所采集的环境数据信息。若远离工作面的第1个无线传感采集装置，第2个无线传感采集装置消亡，而网关已发布了数据采集命令，第3个无线传感采集装置无法接收到第1个无线传感采集装置或第2个无线传感采集装置的环境数据，当定时时间到达后，第3个无线传感采集装置启动上传功能，然后逐级上传环境数据。

(3)环境数据上传完毕后，再次进入睡眠状态。

所述的无线传感采集装置接收到无线信号后，若为本无线传感采集装置及上游无线传感采集装置的数据采集命令，则判断是否为本无线传感采集装置的数据采集命令，若是，则直接判断本无线传感采集装置是否为最终端的无线传感采集装置；

若为上游无线传感采集装置，则启动处理器的定时器t1，再在定期器t1的时间内判断是否接收到了本无线传感采集装置的数据采集命令，若接收到了本无线传感采集装置的数据采集命令，则关闭处理器的定时器t1，判断是否本无线传感采集装置为最终端的无线传感采集装置；若没接收到本无线传感采集装置的数据采集命令，则在定期器t1的时间结束后，自动判断本无线传感采集装置是否为最终端的无线传感采集装置。

当本无线传感采集装置接收到下游无线传感采集装置的环境数据后，判断是否为下游相邻无线传感采集装置的环境数据，若是，本无线传感采集装置的环境数据融合下游无线传感采集装置的环境数据后，通过无线传感LORA模块传送至对应的网关，网关通过煤矿环网将环境数据传递到地面工作站，进行分析预警；

若不是相邻无线传感采集装置的环境数据，则启动处理器的定时器t2，再在定时器t2的时间内判断是否接收到下游相邻无线传感采集装置的环境数据，若是，则关闭定时器2，融合下游无线传感采集装置的环境数据后，通过无线传感LORA模块传送至对应的网关，网关通过煤矿环网将环境数据传递到地面工作站，进行分析预警融合数据后上传，若并不是，则在定期器t2的时间结束后，融合下游无线传感采集装置的环境数据后，通过无线传感LORA模块传送至对应的网关，网关通过煤矿环网将环境数据传递到地面工作站，进行分析预警；当本无线传感采集装置在定期器t2的时间结束后，一直没有接收到下游数据，则通过无线传感LORA模块主动上传环境数据至对应网关。

当需要查看采空区内一个或几个点的环境数据时，通过网关发送新数据采集命令至对应的工作面无线传感采集装置，由工作面无线传感采集装置转发新数据采集命令至采空区内对应无线传感采集装置，采空区内对应的无线传感采集装置采集环境数据后直接传送至工作面无线传感采集装置，由工作面无线传感采集装置传送至网关即可。

本发明所具有的有益效果是：

1、本发明所述的基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置及通讯方法能够及时准确的监测煤矿采空区温湿度及多种气体含量，保证了煤矿采空区环境监测数据的实时性和准确性，能够为矿井安全生产提供技术保障，具有较强的实用性。

2、本发明所述的基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置及通讯方法采用无线传感LORA模块，能够实现远距离无线通讯距，能量消耗少，胜任长期稳定工作，且无线传感采集装置可设置多个工作频段，组成多个无线网络，各频段网络通讯独立运行，互不影响，在其中某个监测点损坏时，也可正常进行数据的采集和通讯。

3、本发明所述的基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置及通讯方法在采空区呈直线随机分布无线传感采集装置，电池供电、体积小、安装方便、免于维护、免于回收。

4、本发明所述的基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置及通讯方法在当矿井发生灾害，各级领导及专业人员无法到达灾害现场，不能掌握灾害险情时，他们可到地面工作站，利用无线传感采集装置采集的数据，准确定位灾害地点及灾害数据，及时作出正确的救治方案，将大大缩短抢险救灾时间，减少损失。

附图说明

图1为本发明的电路结构原理图；

图2为本发明煤矿采空区无线通讯链路拓扑结构图；

图3为本发明的通讯流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

如图1所示，本发明所述的基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置，在靠近工作面的进风巷区域设置网关，在采空区和工作面之间设置M个工作面无线传感装置，网关通过485线连接M个工作面无线传感装置，对应M个工作面无线传感装置在采空区分别设置N个无线传感采集装置，无线传感采集装置包括处理器，处理器通过电源开关电路连接电池，处理器的通信端口连接气体传感器和温湿度传感器，气体传感器通过电压变换电路连接电源开关电路，处理器还连接存储器和无线传感LORA模块，无线传感LORA模块连接电池，所述的N个无线传感采集装置通过无线传感采集装置的无线传感LORA模块实现无线通讯连接。

所述的处理器通过参数配置电路连接电脑，采用USB端口通讯，既便于工作参数的配置，又便于系统的升级。所述的处理器采用STM32L系列单片机，电池采用两节锌锰电池串联。

所述的气体传感器采用一氧化碳传感器、氧气传感器、甲烷传感器和硫化氢传感器中的任意一种或几种的组合。

如图2所示，所述的基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置的通讯方法，包括以下步骤：

(1)网关发送数据采集命令至工作面无线传感采集装置，工作面无线传感采集装置通过无线传感LORA模块向第N个无线传感采集装置转发采集信号后开启气体传感器和温湿度传感器进行环境数据的采集，环境数据采集完成后关闭气体传感器和温湿度传感器，等待接收下游无线传感采集装置的环境数据；第N个无线传感采集装置通过无线传感LORA模块向第N-1个无线传感采集装置转发采集信号后开启气体传感器和温湿度传感器进行环境数据的采集，环境数据采集完成后关闭气体传感器和温湿度传感器，等待接收下游无线传感采集装置的环境数据；从第N-1个无线传感采集装置到第1个无线传感采集装置依次重复上述过程；

(2)当第1个无线传感采集装置完成环境数据采集后，并且判断第1个无线传感采集装置为最终端的无线传感采集装置，则通过第1个无线传感采集装置的无线传感LORA模块向第2个无线传感采集装置传送采集数据，第2个无线传感采集装置所采集的环境数据融合第1个无线传感采集装置所采集的环境数据后传送至第3个无线传感采集装置并进行数据融合，依次类推，直至与第N个无线传感采集装置所采集的环境数据融合后传送至对应的工作面无线传感采集装置，工作面无线传感采集装置将数据融合后传送至对应的网关，网关通过煤矿环网将环境数据传递到地面工作站，进行分析预警。

如图3所示，所述的基于LORA技术的煤矿采空区无线传感装置通讯方法的数据采集和传送的具体步骤为：

(1)采集数据时，网关给对应的工作面无线传感采集装置发送数据采集命令，工作面无线传感采集装置给对应的采空区无线传感采集装置转发数据采集命令，无线传感采集装置接收到无线信号后，判断是否为本无线传感采集装置及上游无线传感采集装置的数据采集命令；若不是，则继续保持睡眠状态，若是，再判断本无线传感采集装置是否为最终端的无线传感采集装置；(2)若本无线传感采集装置是最终端的无线传感采集装置，则执行以下步骤：

a、开启本无线传感采集装置的气体传感器和温湿度传感器，通过传感器采集周围的环境数据，气体传感器和温湿度传感器将所采集的环境数据传送至存储器；

b、环境数据采集完毕后，气体传感器和温湿度传感器停止工作，处理器将获得的环境数据通过无线传感LORA模块传送至对应的工作面无线传感采集装置，然后传送至网关，网关通过煤矿环网将环境数据传递到地面工作站，进行分析预警；

若本无线传感采集装置不是最终端的无线传感采集装置，则执行以下步骤：

a、本无线传感采集装置转发数据采集命令，同时开启本无线传感采集装置的气体传感器和温湿度传感器，通过本无线传感采集装置的气体传感器和温湿度传感器采集环境数据；

b、本无线传感采集装置采集完环境数据后，关闭气体传感器和温湿度传感器，等待接收下游无线传感采集装置的环境数据；

c、上游和下游的无线传感采集装置通过无线传感LORA模块进行通讯，当本无线传感采集装置接收到下游无线传感采集装置的环境数据后，本无线传感采集装置的环境数据融合下游无线传感采集装置的环境数据后，通过无线传感LORA模块向上游无线传感采集装置传送，直至传送到对应的工作面无线传感采集装置，然后传送至网关，网关通过煤矿环网将环境数据传递到地面工作站，进行分析预警；

(3)环境数据上传完毕后，再次进入睡眠状态。

所述的无线传感采集装置接收到无线信号后，若为本无线传感采集装置及上游无线传感采集装置的数据采集命令，则判断是否为本无线传感采集装置的数据采集命令，若是，则直接判断本无线传感采集装置是否为最终端的无线传感采集装置；

若为上游无线传感采集装置，则启动处理器的定时器t1，再在定期器t1的时间内判断是否接收到了本无线传感采集装置的数据采集命令，若接收到了本无线传感采集装置的数据采集命令，则关闭处理器的定时器t1，判断是否本无线传感采集装置为最终端的无线传感采集装置；若没接收到本无线传感采集装置的数据采集命令，则在定期器t1的时间结束后，自动判断本无线传感采集装置是否为最终端的无线传感采集装置。

当本无线传感采集装置接收到下游无线传感采集装置的环境数据后，判断是否为下游相邻无线传感采集装置的环境数据，若是，本无线传感采集装置的环境数据融合下游无线传感采集装置的环境数据后，通过无线传感LORA模块传送至对应的网关，网关通过煤矿环网将环境数据传递到地面工作站，进行分析预警；

若不是相邻无线传感采集装置的环境数据，则启动处理器的定时器t2，再在定时器t2的时间内判断是否接收到下游相邻无线传感采集装置的环境数据，若是，则关闭定时器2，融合下游无线传感采集装置的环境数据后，通过无线传感LORA模块传送至对应的网关，网关通过煤矿环网将环境数据传递到地面工作站，进行分析预警融合数据后上传，若并不是，则在定期器t2的时间结束后，融合下游无线传感采集装置的环境数据后，通过无线传感LORA模块传送至对应的网关，网关通过煤矿环网将环境数据传递到地面工作站，进行分析预警；当本无线传感采集装置在定期器t2的时间结束后，一直没有接收到下游数据，则通过无线传感LORA模块主动上传环境数据至对应网关。

当需要查看采空区内一个或几个点的环境数据时，通过网关发送新数据采集命令至对应的工作面无线传感采集装置，由工作面无线传感采集装置转发新数据采集命令至采空区内对应无线传感采集装置，采空区内对应的无线传感采集装置采集环境数据后直接传送至工作面无线传感采集装置，由工作面无线传感采集装置传送至网关即可。

本发明能够及时准确的监测煤矿采空区温湿度及多种气体含量，能够有效保证煤矿采空区环境监测数据的实时性和准确性，经地面工作站分析预警，为矿井安全生产提供技术保障，具有较强的实用性。

本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。