基于窄带物联网的钻孔水位智能监测系统_闫茂印.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 基于窄带物联网的钻孔水位智能监测系统 闫茂印， 徐乐年， 郇志浩 （山东科技大学 电子信息工程学院， 山东 青岛 266590） 摘要 设计了一种基于窄带物联网的钻孔水位智能监测系统。该系统通过智能遥测仪控制直 流电机正反转， 驱动电容式水位开关检测水面位置， 旋转编码器记录电容式水位开关下降距离， 通过低功耗微处理器 STM32F103RCT6 处理旋转编码器数据得到水位数据，然后利用窄带物联 网技术通过移动蜂窝网络将水位数据传输至中国移动物联网开放平台 OneNET，监测计算机通 过以太网访问 OneNET 平台水位数据， 实现对钻孔水位的无线实时监测、 预警功能。 关键词 矿井水害； 钻孔水位智能监测； 窄带物联网； STM32； OneNET 中图分类号 TD676文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 03-0115-04 Drilling Water Level Intelligent Monitoring System Based on Narrow-band Internet of Things YAN Maoyin, XU Lenian, HUAN Zhihao （School of Electronic Ination Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China） Abstract An intelligent monitoring system for drilling water level based on Narrow-band Internet of Things is designed. The system controls the forward and reverse rotation of the DC motor through the intelligent telemeter, drives the capacitive water level switch to detect the water surface position, the rotary encoder records the falling distance of the capacitive water level switch, and processes the rotary encoder data through the low-power microprocessor STM32F103RCT6 to obtain the water level data. Then, the Narrow-band Internet of Things technology is used to transmit the water level data to the China Mobile Internet of Things open plat OneNET through the mobile cellular network, and the monitoring computer accesses the OneNET plat water level data through Ethernet to realize the wireless real-time monitoring and early warning function of the drilling water level. Key words mine water disaster; drilling water level intelligent monitoring; Narrow-band Internet of Things; STM32; OneNET 目前广泛应用的水文遥测系统多采用人工投入 压力式传感器测量水位埋深数据， 然后通过 GSM 网 络以短信形式无线传输数据[1-3]。随着通信运营商的 技术改造升级， 逐步实施 2G 退网计划， 导致部分地 区的 GSM 网络短信传输变得不稳定， 而且压力式传 感器长期处于水压力环境中会产生零点漂移现象， 导致数据精确度降低。为改进上述技术缺陷，设计 了基于窄带物联网的钻孔水位智能监测系统，采用 电容式水位开关检测钻孔水面位置，避免了投入式 压力传感器的零点漂移问题，水位开关的升降由微 处理器 STM32F103RCT6 控制的直流电机驱动， 由编 码器记录水位开关的下降距离，通过程序综合分析 计算得到钻孔水位标高， 通过窄带物联网 （NB-IoT） 技术将数据传输存储至中国移动物联网开放平台 OneNET， 供监测计算机访问平台水位数据， 利用云 平台数据存储、数据安全和大数据分析的平台级服 务， 达到远程监测目的， 也能够适应未来的发展趋势。 1系统组成与工作原理 1.1系统组成 系统的组成结构如图 1， 主要包括现场监测、 数 据传输、 监测中心 3 部分。 现场监测部分主要由孔口 壳体装置、 大容量可充电锂电池和太阳能板、 通信电 缆、 电容式水位开关、 直流电机组、 编码器、 智能遥 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.025 闫茂印， 徐乐年， 郇志浩.基于窄带物联网的钻孔水位智能监测系统 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 115-118. YAN Maoyin, XU Lenian, HUAN Zhihao. Drilling Water Level Intelligent Monitoring System Based on Narrow- band Internet of Things ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3 ） 115-118. 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51674142） 移动扫码阅读 115 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 测仪和平衡重锤组成，数据传输部分包括移动蜂窝 网络和 OneNET 平台，监测中心部分主要由监测计 算机和手机组成。 1.2系统工作原理 系统主要针对矿井周围钻孔水位的远程实时监 测， 通过智能遥测仪内部的微处理器 STM32F103RCT6 控制直流电机正反转，以此模拟人工测量时的下 放、上提水位开关的动作，结合同步转动的绝对式 编码器向智能遥测仪输出自身角位移量信号，来实 现对钻孔水位的智能测量。具体工作原理如下 系 统通过太阳能可充电锂电池供电，智能遥测仪通过 定时上电唤醒直流电机正向转动，驱动抗拉伸通信 电缆下放电容式水位开关，当水位开关接触水面 时， 产生的开关控制信号通过 RS485 总线方式传送 至智能遥测仪内部的微处理器 STM32F103RCT6， 微 处理器 STM32F103RCT6 随即控制直流电机停转， 在 通信电缆的牵引下同步转动的绝对式编码器记录水 位开关从初始位置下放至水面的距离，将角位移量 信 号 传 递 给 智 能 遥 测 仪 内 部 的 微 处 理 器 STM32F103RCT6，用已知孔口标高减去编码器角位 移量即得到钻孔水位的标高，通过程序综合计算得 到的水位数据被存储等待发送，智能遥测仪控制直 流电机反转将水位开关上提至初始位置，等待下次 定时测量。当达到程序设定的发送时间时，由智能 遥测仪内部的 NB-IoT 通信模块经由移动运营商蜂 窝数据网络发送至中国移动 OneNET 平台，并进行 存储，供监测计算机访问水位数据。当监测到数据 超出设置报警限时， OneNET 平台会将预警信息发 送至用户预先设置的邮箱。监测计算机还可以通过 NB-IoT 应用服务器对智能遥测仪远程发送控制命 令， 修改测量时间间隔、 日期等相关参数； 也支持现 场人员手机近距离蓝牙遥控模式对智能遥测仪进行 相关参数设置。 2监测系统硬件 系统硬件设计包括太阳能板供电模块、 NB-IoT 通信模块、 蓝牙模块、 直流电机、 绝对式编码器、 水 位开关、 微处理器 STM32F103RCT6 及一些外围电路 模块， 监测系统硬件逻辑结构图如图 2。 2.1水位开关 水位开关是根据电容原理设计的一种开关装 置， 只在系统测量时接触水面， 有效避免了压力式传 感器长期处于水压力作用下产生的零点漂移问题, 它通过判定液面的位置， 向微处理器 STM32F103RCT6 传递开关警示信号。在下降的过程中水位变化到达 水位开关仓体阈值时微处理器 STM32F103RCT6 向 直流电机发送控制信号，使直流电机停转，编码器 记录下水位开关下降的距离。PCAP01 是一款带有 单片机处理单元的专用电容测量芯片，通过充放电 来测量电容变化， 该芯片将采集到的液位以 24 位的 数字信号输出，通过 I2C 串行总线传送给微处理器 STM32F103RCT6 进行数据处理[4]。 2.2编码器模块 系统采用 MAA58AF 数字化多回转绝对型编码 图 1系统组成结构图 Fig.1System composition diagram 图 2监测系统硬件逻辑结构图 Fig.2Monitoring system hardware logic structure 116 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 4程序设计流程图 Fig.4Program design flow chart 器，测量范围大，能够记录水位开关下降位移并直 接输出数字量，在安装时不必要找零点，编码器的 光码盘上有许多刻线，每道刻线以固定格式编排， 极大增加了编码器的抗干扰特性及数据的可靠性， 通过读取每道刻线的通道， 获得 1 组从 1 到 2n 的二 进制编码 （格雷码） [5]。因编码器的码盘机械位置决 定每个刻度盘对应的唯一数据值，所以无需掉电记 忆及设置参考点， 这样在仪器断电后， 仍可以对上电 时的水位值进行测量记录，无需重新标定，也不会 发生漏圈等误差现象， 降低了安装和调试的难度。 2.3电机驱动模块 电机驱动电路如图 3， U1芯片 L9110S 的引脚 IA 和 IB 与微处理器 STM32F103RCT6 连接， 通过微 处理器 STM32F103RCT6 向 IA、 IB 引脚写入高低电 平可使芯片 L9110S 的 OA 与 OB 引脚控制电机正反 转或停止。当 IA 引脚为高， IB 引脚为低时， 电机向 一个方向转动；当 IA 引脚为低， IB 引脚为高时， 电 机向另一个方向转动； 当 IA 和 IB 引脚都为低时， 电 机停止转动。 2.4NB-IoT 通信模块 系统采用了移远公司生产的工业级 NB-IoT 通 信模组 BC95， 支持通过移动蜂窝网络与物联网平台 OneNET 透明传输，每 1 个钻孔测点作为 1 个数据 采集终端， 每个终端各连接 1 个 BC95， BC95 将终端 采集的水位数据通过蜂窝网络上传至物联网平台专 用核心网，并将数据存储于云端，供监测计算机和 手机随时随地访问各个钻孔测点的水位数据。基于 蜂窝网络构建的 NB-IoT 技术， 具有如下优点[6] ① 信号覆盖面积广泛，满足野外监测设备通信需求， 相比 LTE 和 GPRS 基站， NB-IoT 基站所提供的增益 提高了 20dB，使得野外信息传输更加稳定可靠； ② 更低的设备功耗， NB-IoT 终端模块的待机时间可长 达 10 年，能够满足本系统野外低功耗测量工作； ③ NB-IoT 技术支持大连接能力， 1 个扇形区能够连接 10 万个终端设备， 能够满足本系统终端装置安装数 量要求。 3监测系统软件 3.1数据采集软件 系统主程序流程图如图 4。 系统基于微处理器 STM32F103RCT6 来实现数 据的采集，通过比对计算对采集的水位数据进行处 理。在信息采集时，首先要对监测装置进行初始化 过程，对 STM32F103RCT6 定时器设置包括时间、 数 据的接收和发送时间设置。系统采用时钟定时上电 的工作方式[7]。当达到定时时间时， 遥测仪上电控制 直流电机正转下放水位开关测量水位数据，到达水 面后电机停转，绝对式编码器的角位移量数据经微 处理器 STM32F103RCT6 处理后暂存于微处理器的 存储器中， 然后判断是否到达的设定的发送时间或者 是否超存储上限。若有， 则置位发送标志位； 若无， 信 息将被继续存储， 等待存储的数据满足设定的要求， 然后置位发送标志位。开启 NB-IoT 模组， 向OneNET 平台传输数据，当水位数据超过预先设置的预警值 时， 平台将向预先设置的邮箱发送预警邮件。 3.2智能化信息管理平台软件 系统的信息管理平台采用中国移动 OneNET 平 图 3电机驱动电路 Fig.3Motor drive circuit 117 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 台，此平台为面向连接智能终端设备的物联网开放 平台[8]， 支持以太网通信、 WiFi 通信和蜂窝网络通信 3 种通信方式， 由于本系统面向野外测量工作， 所以 采用蜂窝网络通信方式。OneNET 平台提供公开协 议产品和私有协议产品 2 种，其中公开协议产品有 HTTP、 MODBUS、 EDP、 MQTT 等多种协议选择， 选用 HTTP 协议[9]。将智能终端接入 OneNET 平台时， 首 先在注册 OneNET 平台账号，在开发者中心创建产 品，然后在产品中添加智能终端设备，为设备添加 数据流， 最后添加触发器和新建应用。 4误差分析 1） 通信电缆受力拉伸引起的误差。通信电缆与 水位开关和平衡重锤通过物理连接在一起，在电机 的驱动下往复上下运动，通信电缆在平衡重锤重力 和水位开关重力的影响下会发生一定的形变，导致 水位测量误差。 2） 仪器误差。系统仪器的硬件结构设计、 粗糙 的加工工艺等因素都是引起测量误差的原因。例如 水位开关，由于加工精度及安装的问题，可能内外 两电极之间任意位置存在间距不等的非线性关系， 且每个电极板的长度也不一定能做到严格的相等， 在一定程度上会造成测量误差[10]。由通信电缆与旋 转编码器转盘产生相对运动引起的误差通信电缆 通过摩擦力驱动转盘，从而带动编码器运动，当电 机启动时，转盘可能会由于自身惯性在瞬间，通信 电缆可能打滑与转盘产生相对运动，也可能导致水 位测量误差。 3 ） 外界因素带来的误差。水位开关检测水位时， 由于在不同温度下被测介质介电常数会发生变化， 导致水位开关向微处理 STM32F103RCT6 发送开关 警示信号的时间略有差别， 从而会导致测量误差。 综上所述，后续需要对抗拉伸通信电缆进行新 材料选型消除形变误差影响、仪器机械部分精加工 消除粗大误差、改进电容式传感器的结构和对传感 器测量结果公式推导补偿被测介质的温漂对测量精 确度的误差。 5结语 设计的基于窄带物联网的钻孔水位智能监测系 统， 采用将智能遥测仪、 旋转绝对型编码器、 直流 电机水位开关和平衡重锤结合的方式， 模拟人工测 量方法，对动态水位数据进行自动实时采集。数据 传输方式采用支持远距离、 大连接、 低功耗的窄 带物联网技术，将 NB-IoT 通信模组与微处理器 STM32F103RCT6 相结合， 通过移动运营商广覆盖的 蜂窝网络信号，将采集的数据传输至中国移动 OneNET 平台， 利用云平台数据智能统计分析， 对可 能出现的矿井水灾害做出及时预警，为煤矿安全生 产提供更全面的数据支撑。 参考文献 ［1］ 张万忠， 李朝辉， 邓珺， 等.千米矿井抢险排水关键技 术和装备研制 ［J］ .煤矿安全， 2010， 41 （9） 82-84. ［2］ 徐乐年， 张森， 王鑫.基于 GPRS 技术的矿用水文遥测 系统的设计 ［J］ .现代电子技术， 2017， 40 （8） 166. ［3］ 徐乐年， 陈西广， 甄雁翔， 等.基于 GPRS 的钻孔水文 无线遥测系统 ［J］ .煤矿安全， 2007， 38 （8） 47-50. ［4］ 田海军， 张鋆， 张鑫.基于 PCap01 的智能多段式电容 汽包水位计设计 ［J］ .制造业自动化， 2015， 37 （3） 126-128. ［5］ 郑卫， 张波， 刘品宽.基于 FPGA 的准绝对式编码器的 角度测量系统设计 ［J］ .机电工程技术， 2012， 41 （6） 1-5. ［6］ 廖明军， 蒋世平.窄带物联网 （NB-loT） 商业应用探讨 ［J］ .信息通信， 2017 （10） 254-255. ［7］ 徐乐年， 许艳云， 赵莉莉， 等.钻井离层监测系统 ［J］ . 煤矿安全， 2018， 49 （10） 128-130. ［8］ 王小宁， 魏圆圆， 王儒敬.基于 OneNET 平台的智能设 备的数据获取与显示 ［J］ .仪表技术， 2018 （8） 1-4. ［9］ 陈超越， 王晓丹， 程志伟， 等.基于 OneNET 平台的智 慧矿山监测系统设计 ［J］ .长春师范大学学报， 2019， 38 （2） 38-42. ［10］ 武维茂.电容式液位计设计 ［D］ .成都 电子科技大 学， 2014. 作者简介 闫茂印 （1995） ， 山东荷泽人， 在读硕士研 究生， 研究方向为智能传感器， 检测仪表与矿井监测系统。 （收稿日期 2019-06-06； 责任编辑 李力欣） 118 ChaoXing