摘要：本文针对矿山配电室环境复杂、安全隐患高、人工巡检效率低等问题，设计并实现了基于物联网的矿山配电室环境监测系统。通过构建感知层、网络层、平台层和应用层四层架构，利用传感器技术、无线通信技术、云计算和大数据分析技术，实现对配电室温湿度、烟雾浓度、有害气体含量、设备振动等环境参数的实时采集、传输、处理与分析。系统经实际测试验证，能够有效提升矿山配电室环境监测的自动化和智能化水平，为矿山安全生产提供可靠保障。

关键词：物联网；矿山配电室；环境监测；无线通信；大数据分析

矿山配电室作为矿山电力系统的核心枢纽，其稳定运行直接关系到矿山生产的连续性和安全性。由于矿山环境具有高粉尘、高湿度、强电磁干扰等特点，配电室内部极易出现温度过高、有害气体泄漏、设备振动异常等问题，这些问题若不能及时发现和处理，可能导致电气设备故障、火灾甚至爆炸等严重事故。传统的人工巡检方式存在监测周期长、数据准确性低、响应不及时等缺陷，难以满足矿山配电室安全管理的需求。随着物联网技术的快速发展，通过传感器网络、无线通信和云计算等技术构建智能化环境监测系统，成为解决上述问题的有效途径。

一、系统总体设计

（一）系统架构设计

基于物联网的矿山配电室环境监测系统采用四层架构设计，包括感知层、网络层、平台层和应用层。

（1）感知层：部署各类传感器，实现对配电室环境参数的实时采集。

（2）网络层：负责将感知层采集的数据传输至平台层，采用无线通信技术和有线通信技术相结合的方式。

（3）平台层：基于云计算技术搭建数据处理和存储平台，对采集的数据进行分析和处理。

（4）应用层：为用户提供可视化界面，实现环境参数实时显示、异常报警、历史数据查询等功能。

（二） 系统功能需求

系统主要实现以下功能：

（1）实时监测：实时采集并显示配电室温湿度、烟雾浓度、一氧化碳、硫化氢等有害气体含量、设备振动等参数。

（2）异常报警：当环境参数超过设定阈值时，通过声光报警、短信、APP 推送等方式发出警报。

（3）数据存储与分析：对采集的数据进行存储，提供历史数据查询和数据分析功能。

（4）远程管理：支持远程配置传感器参数、查看设备状态等操作。

（三） 数据安全设计

为保障矿山配电室监测数据的安全性，系统在网络层与平台层部署多重防护机制。网络层采用 AES-256 加密算法对传输数据进行加密处理，防止数据在无线与 4G 传输过程中被窃取或篡改；同时引入VPN虚拟专用网络，构建安全的数据传输通道。平台层利用阿里云的访问控制（RAM）与数据加密服务（KMS），实现用户权限分级管理与敏感数据加密存储。此外，系统还设置了入侵检测模块，通过实时监测网络流量异常，防范恶意攻击。

（四）边缘计算优化

考虑到矿山配电室对数据实时处理的需求，系统在汇聚节点集成边缘计算功能。通过部署轻量化的边缘计算单元，对传感器采集的原始数据进行预处理与异常数据筛查。例如，当温湿度数据出现突变时，边缘计算单元可快速判断是否为传感器故障或真实环境异常，并优先将异常数据上传至云平台。这种“边缘计算 + 云计算”的协同模式，不仅减少了数据传输量，还将关键数据的响应时间缩短至 200 毫秒以内，显著提升系统的实时性与可靠性。

二、系统硬件设计

（一）传感器选型与部署

根据监测需求，选用以下传感器：

（1）温湿度传感器：采用 DHT22 数字温湿度传感器，测量范围 -40% -80% ，湿度 0%RH～100% RH，精度高、响应快。

（2）烟雾传感器：选用 MQ-2 型气体传感器，可检测烟雾及多种可燃气体，灵敏度高。

（3）有害气体传感器：采用MQ-7 一氧化碳传感器和MQ-135 硫化氢传感器，能够实时监测有害气体浓度。

（4）振动传感器：选用压电式振动传感器，用于监测设备振动状态。

传感器部署在配电室关键位置，如配电柜附近、电缆沟、通风口等。

（二） 主控单元设计

主控单元采用STM32F103微控制器，该控制器具有高性能、低功耗、外设丰富等特点。通过 ADC 接口采集传感器的模拟信号，利用 SPI、I2C 等通信接口实现与传感器和通信模块的数据交互。

（三） 通信模块设计

通信模块采用 LoRa 无线通信技术和 4G 通信技术相结合的方式。LoRa 模块用于实现传感器节点与汇聚节点之间的短距离无线通信，具有低功耗、远距离传输的特点；4G 通信模块实现汇聚节点与云平台之间的远程数据传输，保证数据传输的稳定性和实时性。

（四） 边缘计算硬件选型

边缘计算单元选用树莓派 4B 作为核心设备，其具备四核 64 位处理器与 1GB 内存，可满足数据预处理与本地分析需求。同时，通过扩展 GPIO 接口与通信模块相连，实现对传感器数据的实时读取与处理。为保障边缘计算单元在矿山恶劣环境下稳定运行，采用全金属外壳进行防护，并配备宽电压输入电源模块，适应矿山配电室复杂的供电环境。

三、系统软件设计

（一） 感知层软件设计

感知层软件采用C 语言编写，主要实现传感器数据采集、A/D 转换、数据封装和无线发送功能。为降低功耗，程序采用中断方式进行数据采集和处理，在无数据传输时进入休眠状态。

（二） 网络层软件设计

网络层软件包括LoRa 通信协议栈和4G 通信程序。LoRa 通信采用星型网络拓扑结构，实现传感器节点与汇聚节点之间的多对一通信；4G通信程序基于TCP/IP 协议，将汇聚节点的数据上传至云平台。

（三） 平台层软件设计

平台层基于阿里云物联网平台搭建，采用 Node-RED 进行数据流处理，使用InfluxDB 数据库存储环境数据。平台层主要实现以下功能：

（1）数据接收与解析：接收并解析来自网络层的数据，转换为可识别的环境参数。

（2）数据存储：将处理后的数据存储到数据库中，支持历史数据查询。

（3）数据分析与处理：对采集的数据进行实时分析，判断环境参数是否异常。

（4）报警管理：当检测到异常数据时，触发报警机制，向相关人员发送报警信息。

（四）应用层软件设计

应用层采用 B/S 架构，前端使用 Vue.js 框架和 ECharts 图表库进行界面开发，实现环境参数的实时显示、历史数据查询、报警记录查看等功能；后端采用 Spring Boot 框架提供数据接口，实现与平台层的数据交互。

四、系统测试与应用

（一） 系统测试

在实验室环境下对系统进行功能测试和性能测试：

（1）功能测试：验证传感器数据采集的准确性、数据传输的稳定性、异常报警功能的可靠性。

（2）性能测试：测试系统的响应时间、数据处理能力、并发访问能力等指标。

（二） 实际应用

将系统部署到某矿山配电室进行试运行，经过一个月的运行，系统运行稳定，能够实时准确地监测配电室环境参数，及时发现并处理多起温度过高、烟雾浓度超标等异常情况，有效保障了配电室的安全运行。

结论

本文设计并实现的基于物联网的矿山配电室环境监测系统，通过物联网技术实现了对配电室环境的实时监测和智能管理。系统经实际应用验证，具有数据采集准确、传输稳定、报警及时等优点，能够有效提升矿山配电室的安全管理水平。未来可进一步优化系统算法，提高数据分析的准确性和预测能力，实现对配电室环境的智能调控。

参考文献

[1] 廖晓杰 . 基于物联网的配电室智能运维监测 [J]. 大众用电 ,2025 ,40 (03):41-42

作者简介：

张宇，(1984.1--) 男，汉族，人，硕士，工程师，铁煤集团监督检测中心实验室主任工程师