深部礦山勘探鉆孔溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

徐少偉, 郭來(lái)功, 巫鵬航, 章志飛

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

礦山勘探是研究礦產(chǎn)形成與分布的地質(zhì)條件、礦床賦存規(guī)律、礦體變化特征及工業(yè)礦床的有效查明和評(píng)價(jià)方法的實(shí)用地質(zhì)學(xué)，具有很強(qiáng)的工業(yè)價(jià)值。在已成鉆孔的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開(kāi)展安全監(jiān)測(cè)，使封閉的鉆孔也能實(shí)現(xiàn)其后續(xù)的價(jià)值，為日后采集資料奠定基礎(chǔ)，無(wú)需再花費(fèi)巨資進(jìn)行補(bǔ)充勘探，節(jié)省人力物力成本。之前發(fā)生的多起平臺(tái)地面坍塌、孔內(nèi)注水導(dǎo)致裂縫等危險(xiǎn)事件給了人們非常大的警示，安全問(wèn)題作為重中之重，從各種方面考慮都占據(jù)很大的要素。在影響礦山勘探鉆孔安全的參數(shù)中，測(cè)量鉆孔周?chē)臏囟?、壓力參?shù)的大小非常重要。因此，需要一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，對(duì)深部礦山勘探鉆孔周?chē)h(huán)境溫度、壓力等物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)這些參數(shù)的數(shù)值超過(guò)預(yù)警時(shí)，能夠及時(shí)反映出來(lái)，提高對(duì)地質(zhì)的認(rèn)識(shí)，規(guī)避危害，提前預(yù)防，減少損失，保障員工的生命安全。對(duì)于光纖光柵傳感技術(shù)和LoRa無(wú)線通訊技術(shù)在礦山安全監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛[1-5]。在前人的研究基礎(chǔ)上，將光纖光柵傳感器和LoRa無(wú)線通信結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出一套礦山地勘鉆孔溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感器、采集節(jié)點(diǎn)、匯集節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)組成。礦山勘探鉆孔周?chē)h(huán)境的溫度、壓力數(shù)據(jù)由光纖傳感器采集完成，數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)在采集主機(jī)中，然后由采集主機(jī)通過(guò)LoRa進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸?shù)絽R集節(jié)點(diǎn)，最終上傳到客戶端PC機(jī)上顯示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控制器使用STM32F103RCT6，對(duì)外圍電路進(jìn)行控制。LoRa使用SX1278芯片，該芯片具有低功耗、低速率、廣覆蓋的特點(diǎn)，滿足野外電池供電設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的需求。STM32微控制器以SPI通信協(xié)議與SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換緩存。通過(guò)8080接口與LCD進(jìn)行通信，將采集到的數(shù)據(jù)和電池電量顯示出來(lái)，用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。光纖光柵解調(diào)儀對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，再通過(guò)485總線傳輸給STM32微控制器。最后STM32微控制器將數(shù)據(jù)打包以LoRa無(wú)線傳輸?shù)男问絺魉偷絽R聚節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的任務(wù)。

圖2 采集節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)備具有定時(shí)喚醒功能，不采集時(shí)，設(shè)備進(jìn)入待機(jī)模式，使功耗盡可能降低。設(shè)計(jì)可控的電源開(kāi)關(guān)電路，將傳感器、SD卡、LoRa等模塊作為一個(gè)整體，只在需要時(shí)才為其供電，進(jìn)一步降低功耗。

1.2 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由STM32微控制器、LoRa接收模塊以及485硬件通信接口模塊組成。當(dāng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)打包通過(guò)LoRa數(shù)傳模塊發(fā)送時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)的LoRa接收模塊將接收數(shù)據(jù)并通過(guò)485總線將數(shù)據(jù)傳給STM32微控制器，再由STM32微控制器將數(shù)據(jù)重新解析打包通過(guò)485總線與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接。

圖3 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)Keil 5平臺(tái)編寫(xiě)代碼。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖4所示，使用睡眠-喚醒-睡眠的工作流程，設(shè)計(jì)水壓和溫度傳感器每小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)帶有SD卡數(shù)據(jù)備份功能，防止通訊故障不能成功發(fā)送數(shù)據(jù)，造成無(wú)數(shù)據(jù)生成現(xiàn)象。系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩種喚醒方式：一種是設(shè)備上的機(jī)械按鍵喚醒，此種喚醒方式會(huì)點(diǎn)亮設(shè)備LCD顯示屏，顯示當(dāng)前采集水壓、溫度和電量信息，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試；一種是定時(shí)喚醒，這種方式是設(shè)備長(zhǎng)期無(wú)人看管自運(yùn)行的一種方式。

2.2 匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5所示，匯聚節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是接收監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)重新解析打包，通過(guò)485總線傳輸給PC端上位機(jī)。傳輸結(jié)束后進(jìn)入待機(jī)模式，等待下一次傳輸。

圖4 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖圖5 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

在完成對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)以及利用C語(yǔ)言和LabVIEW完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)部分的設(shè)計(jì)后，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集測(cè)試。匯聚節(jié)點(diǎn)在收到監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)重新解析打包，然后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上進(jìn)行顯示，在上位機(jī)界面，將監(jiān)控溫度和壓力的大小狀況一目了然地展現(xiàn)出來(lái)，如圖6所示。

在監(jiān)測(cè)光纖的周?chē)贾脽犭娕紲囟葌鞲衅?，測(cè)得溫度為26.0 ℃，分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)的數(shù)值溫度波動(dòng)在25.8～26.3 ℃之間，最大誤差為0.5 ℃。壓力部分缺少專業(yè)設(shè)備，查詢室溫下大氣壓為0.1 MPa，測(cè)得壓力為0.09～0.11 MPa，與大氣壓差值在0.01 MPa以內(nèi)，結(jié)果符合預(yù)期。具體測(cè)試曲線如圖7所示。

圖7 測(cè)試溫壓曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

基于光纖光柵傳感技術(shù)和LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)，開(kāi)發(fā)了關(guān)于礦山地勘鉆孔的溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在礦山鉆孔環(huán)境下，光纖光柵傳感器比傳統(tǒng)溫壓傳感器的測(cè)量精度更高，使用壽命更長(zhǎng)，抗干擾能力更好。為解決野外供電困難、傳輸距離不足的問(wèn)題，選擇功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)的LoRa傳輸技術(shù)作為數(shù)據(jù)傳輸方式。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測(cè)量出溫度和壓力數(shù)據(jù)大小，LoRa通訊在實(shí)驗(yàn)室較短距離下通訊良好。未來(lái)將會(huì)進(jìn)一步在較遠(yuǎn)距離下測(cè)試LoRa模塊的最大有效通訊距離和掉包率問(wèn)題。本系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)為礦山地勘鉆孔的長(zhǎng)效化利用和功能擴(kuò)展問(wèn)題提供了思路，對(duì)可能出現(xiàn)的突水、沖擊地壓等礦山地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警做出貢獻(xiàn)。