張 新

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

監(jiān)控通信平臺是礦山企業(yè)各類監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)備，也是監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸通道[1]。目前，礦用監(jiān)控系統(tǒng)主要采用WiFi、ZigBee、泄漏電纜等無線通信技術(shù)，WiFi的通信距離短(100 m左右)、功耗大、成本高、穿透能力弱；ZigBee通信距離短(幾十米)、組網(wǎng)復(fù)雜、穿透性差；泄漏電纜通信距離也不遠、布設(shè)困難、成本高、能耗大。有線通信設(shè)備安裝布置不靈活、抗損性差、成本高且維護困難[2]。SX1278是一款新型的遠程通信組網(wǎng)用無線射頻芯片，其具有低功耗、遠距離、低成本、低速率和大范圍組網(wǎng)的特點，并且具備抗干擾性好、穿透能力強的優(yōu)勢。筆者提出基于SX1278芯片作為遠程通信模塊，結(jié)合低功耗MCU設(shè)計礦用監(jiān)控通信平臺，通過設(shè)計私有通信協(xié)議，解決無線信道沖突與避碰問題，實現(xiàn)終端與基站間雙向有效通信，完成實時感知和執(zhí)行控制。該通信平臺具有通用性好、通信距離遠、成本低、安裝靈活、使用方便的優(yōu)勢。

1 監(jiān)控通信平臺

監(jiān)控通信平臺由基站和若干監(jiān)控終端組成(統(tǒng)稱通信設(shè)備)，構(gòu)建起一個星形低速通信傳輸網(wǎng)絡(luò)。通信平臺承擔(dān)監(jiān)控終端所采集的信息(或執(zhí)行控制)和傳輸應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)送的控制與管理信息等重任，并要為在礦井復(fù)雜環(huán)境下各類參數(shù)的監(jiān)測與控制提供可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。監(jiān)控通信平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示[3-4]。

圖1 監(jiān)控通信平臺架構(gòu)

監(jiān)控通信平臺是礦用作業(yè)環(huán)境感知設(shè)備(或執(zhí)行組件)和信息處理中心之間的信息傳輸“公路”，監(jiān)控終端一般外接各類傳感器和被控制設(shè)備，通過傳感器感知礦井環(huán)境的各類參數(shù)，借助于通信平臺把采集到的信息通過基站實時完整地發(fā)送給信息處理中心，同時按照接收信息處理中心下發(fā)的各種控制信息對受控設(shè)備實施控制。監(jiān)控終端在MCU定時控制下通過UART接口采集感知信息，基站接收上位機發(fā)來的控制信息，這些待發(fā)送信息在SX1278等待模式下被寫入SX1278FIFO緩存器，SX1278檢測無線信道，當(dāng)空閑時，轉(zhuǎn)入發(fā)送模式發(fā)出數(shù)據(jù)。終端和基站的無線通信模塊(SX1278)通常處在等待模式，可定時啟動CAD信道檢測模式，當(dāng)檢測到前導(dǎo)碼并關(guān)聯(lián)成功后，轉(zhuǎn)入接收模式接收信息，一旦接收完信息就向MCU發(fā)出中斷請求，MCU立即響應(yīng)中斷服務(wù)讀取信息[5]。

2 硬件設(shè)計

基站與終端是通信平臺的主體，這2種設(shè)備的硬件設(shè)計類似，均采用了STM32F103ZET(MCU)處理器和SX1278無線通信模塊。監(jiān)控終端主要包括傳感器(或執(zhí)行單元)、MCU、通信模塊(SX1278)、RS232通信模塊和電源模塊等，可以靈活配置成具有感知能力或執(zhí)行能力的二類設(shè)備；基站硬件模塊類似終端，少了感知和執(zhí)行組件。通信設(shè)備模塊架構(gòu)如圖2所示，其中虛線部分為終端獨有。監(jiān)控終端的傳感器(或執(zhí)行單元)根據(jù)需要而定，一般采用成熟的數(shù)字式標準化模塊，如溫度傳感器、加速度傳感器、瓦斯傳感器等[6]。感知和執(zhí)行模塊通過UART接口與MCU通信，實現(xiàn)模塊之間的雙向通信。

圖2 通信設(shè)備(終端或基站)模塊

無線通信模塊由SX1278、RF_SWITCH、TCXO 3部分組成，RF_SWITCH為SX1278半雙工通信切換輸入或輸出狀態(tài)，SX1278精確時鐘由TCXO提供。SX1278的RESERT引腳被MCU給予低電平，進入初始化復(fù)位。MCU利用自帶的SPI(NSS/SCK/MISO/MOSI)與SX1278的SPI接口對接實現(xiàn)雙向通信，在SX1278睡眠模式下，MCU通過設(shè)置SX1278配置寄存器RegOpMode，使其工作處在LoRa 調(diào)制模式。MCU對SX1278的配置寄存器、狀態(tài)寄存器和FIFO緩存進行讀寫操作，完成所有的控制與管理。SX1278通過DIO0～DIO5引腳給MCU發(fā)送中斷信號，MCU讀取SX1278狀態(tài)寄存器值，結(jié)合SX1278的狀態(tài)信號完成數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。

RS232串行通信常用于設(shè)備調(diào)試和點對點通信。STM32F103ZET處理器本身具有UART通信接口，其串口輸出電壓為0.0 V和3.3 V，而標準的RS232高電平為3～15 V,導(dǎo)致電平不匹配，因此需要利用MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換。電源模塊為通信設(shè)備提供電能服務(wù)，采用高能鋰電池和市政供電 2種方式，通過高效率開關(guān)穩(wěn)壓器MP2359和AMS1117為各類模塊供電[7]。

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

煤礦井下環(huán)境對無線通信應(yīng)用產(chǎn)生很大影響。礦井巷道環(huán)境十分復(fù)雜，無線電波由于受到巷道壁和機械設(shè)備的影響，傳輸功率衰減嚴重，各類障礙物對無線電波產(chǎn)生的反射、散射，造成在巷道內(nèi)的無線電波產(chǎn)生復(fù)雜的多徑傳播，巷道內(nèi)人員及設(shè)備的移動，導(dǎo)致多普勒頻移，煤礦井下特殊的環(huán)境對LPWA技術(shù)的應(yīng)用具有更高的要求[8]。

SX1278射頻處理器主要實現(xiàn)無線信號發(fā)射與接收的PHY層功能，但要真正實現(xiàn)組網(wǎng)通信還需上層協(xié)議的支撐和服務(wù)。LoRa聯(lián)盟組織制訂了LoRaWAN規(guī)范，LoRaWAN是針對MAC層以上的低功耗廣域網(wǎng)標準，該標準具有很多優(yōu)勢，但監(jiān)控通信平臺相對簡單，主要解決點對多點的低速率、遠程、小數(shù)據(jù)量的組網(wǎng)通信，因此采用個性化的私有協(xié)議來滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。

3.1 低功耗設(shè)計

基站采用市政電源供電，監(jiān)控終端一般采用電池供電，因此需對監(jiān)控終端進行低功耗設(shè)計。STM32F103ZET是一款內(nèi)核為Comtex-M3架構(gòu)的ARM處理器，支持等待、睡眠和停止3種低功耗工作模式，是較理想的低功耗MCU。SX1278采用了擴頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)、前向糾錯編碼技術(shù)、跳頻通信技術(shù)和數(shù)字信息處理技術(shù)，支持睡眠、等待、CAD檢測等低功耗模式，可實現(xiàn)在低功耗前提下的遠程通信[9]。

通常情況下，MCU和SX1278處在等待和睡眠工作模式，MCU按設(shè)定的采樣周期定時采集傳感器信息，經(jīng)適當(dāng)處理，信息立即被寫入SX1278的FIFO緩存器，當(dāng)檢測到信道空時發(fā)送數(shù)據(jù)，MCU自動轉(zhuǎn)入低功耗模式；當(dāng)SX1278接收到信息時，向MCU發(fā)送中斷請求，依據(jù)讀取SX1278狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)，然后進入低功耗模式，這樣就實現(xiàn)了MCU在大部分情況下處于低功耗工作模式[10]。在發(fā)送與接收狀態(tài)下，SX1278會消耗大量電能，由于采用了CAD信道檢測和ADR速率自適應(yīng)技術(shù)，使得SX1278的能耗得以降低。ADR速率自適應(yīng)具有依據(jù)通信距離自動調(diào)整通信傳輸速率的功能，在近距離通信時自動提高傳輸速率，從而縮短傳輸時間，同時可降低功耗，而遠距離傳輸時，通過降低傳輸速率同樣可以實現(xiàn)低功耗。MCU對傳感器供電進行通斷控制，只在定時采集時供電，減少傳感器的能耗[11]。

3.2 通信信道竟用

礦山生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的無線信號一般都比較復(fù)雜，SX1278工作在非授權(quán)頻段，監(jiān)控終端同時工作，各類大功率機電設(shè)備會產(chǎn)生強干擾信號，無線信號碰撞與沖突是客觀存在的。為了保證監(jiān)控通信平臺無線通信的正常有效工作，需要解決無線信道檢測和碰撞問題[12]。

發(fā)送數(shù)據(jù)前，SX1278不進行任何信道狀態(tài)檢測，直接發(fā)送數(shù)據(jù)，顯然存在安全隱患。SX1278可以通過無線信號CAD(信道檢測)、SNA(信噪比)值和RSSI(信號強度)3種手段，對無線信號進行識別;CAD信道檢測的核心是檢查LoRa前導(dǎo)碼，檢測不到前導(dǎo)碼并不能表明沒有信號，因此，這種信道檢測方式存在盲區(qū)。SX1278工作在433 MHz，處在非授權(quán)頻段，往往存在同頻干擾，在接收機頻段內(nèi)測得無線接收信號的強度RSSI值，同樣也無法準確識別信道是否為空。通過研究和反復(fù)試驗驗證，利用信噪比(SNR)檢測信道，是較好的信道檢測辦法。SX1278具有低信噪比的信號檢測能力，其RegPktSnrValu寄存器儲存著接收信號的信噪比值，MCU通過SPI接口設(shè)置地址為0X19，可獲得RegPktSnrValu寄存器中的信噪比值，如果此值在-20～-5 dB，則確認信道忙，否則信道閑[12-13]。

SX1278檢測到信道忙時，需要解決碰撞問題。時間隨機退后檢測是一種簡單而有效的避碰辦法，首先確定退避時間窗口CW(如500 ms)的值，用隨機函數(shù)rand()產(chǎn)生0～1之間的隨機數(shù)N，則退后時間t=CW*N；rand()是一個偽隨機函數(shù)，因此用函數(shù)srand((unsigned)time(NULL))產(chǎn)生隨機數(shù)種子，再用函數(shù)rand()生成隨機數(shù)，這樣rand()的隨機數(shù)就能錯位，從而確保了有效的碰撞避讓。時間窗口CW可以依據(jù)沖突發(fā)生狀況進行動態(tài)調(diào)整，這樣可以有效提高碰撞避讓效率。

3.3 通信協(xié)議設(shè)計

監(jiān)控通信平臺要完成有效數(shù)據(jù)通信，必須依據(jù)通信協(xié)議才能實現(xiàn)，通信協(xié)議保證了通信雙方建立起的有效通信規(guī)程[14-15]。SX1278射頻芯片具有規(guī)定格式的通信數(shù)據(jù)包，但沒有實現(xiàn)上層通信協(xié)議，因此需要重新設(shè)計通信協(xié)議，才能保障通信的有效實現(xiàn)。為了簡化協(xié)議、提高通信效率，可以定義5種類型幀結(jié)構(gòu)：RTS、CTS、DATA、ACK和廣播，通常情況下只需要后3類幀就能保障較好的通信效果，DATA和ACK幀結(jié)構(gòu)分別見表1和表2。由于SX1278通信速率較低，傳輸時間相對較長，因此規(guī)定有效負載最大為64 Byte。

表1 DATA幀結(jié)構(gòu)

表2 ACK幀結(jié)構(gòu)

幀類型字節(jié)的高四位為0，低四位代表數(shù)據(jù)幀的類型，當(dāng)幀類型字節(jié)為0 Fh時，DATA幀就轉(zhuǎn)變成廣播幀，此時目的地址為0 FFFFh。SX1278在發(fā)送數(shù)據(jù)時，其本身不能保證所發(fā)數(shù)據(jù)能被有效接收，因此需要采用確認幀來確認數(shù)據(jù)是否接收，接收到DATA幀數(shù)據(jù)需要及時回復(fù)ACK幀，廣播幀不需回復(fù)ACK幀，通信設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)后，在給定時間內(nèi)接收到確認幀就繼續(xù)其他工作，否則就要進行數(shù)據(jù)重發(fā)。為了有效提高信道效率，SX1278一旦接收到數(shù)據(jù)幀，則不進行信道檢測，立即回復(fù)ACK幀[9]。

3.4 通信設(shè)備工作流程

監(jiān)控通信平臺在基站與終端之間收發(fā)數(shù)據(jù)，基站重在接收數(shù)據(jù)，而終端重在發(fā)送數(shù)據(jù)，基站與終端組成一對多的星形通信網(wǎng)絡(luò)，主要功能是通過SX1278發(fā)送與接收數(shù)據(jù)[13]。

監(jiān)控終端的主要任務(wù)是把采集到的感知數(shù)據(jù)實時發(fā)送給基站，礦山監(jiān)控的感知信息一般具有采樣頻率不高、數(shù)據(jù)量不大和對時延不敏感的特點，因此終端采用MCU定時采集感知信息和喚醒SX1278發(fā)送數(shù)據(jù)的工作方式。終端數(shù)據(jù)采集完成后，MCU喚醒SX1278進入待機模式，數(shù)據(jù)被寫入SX1278FIFO緩存器，然后進入基于SNA信噪比的信道檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道空閑時，控制SX1278進入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)發(fā)送，SX1278轉(zhuǎn)入其他狀態(tài)。終端要接收基站發(fā)送的數(shù)據(jù)如控制信息，SX1278定時喚醒進入CAD信道檢測，在規(guī)定時間里沒有檢測到前導(dǎo)碼(或前導(dǎo)碼關(guān)聯(lián)不成功)就轉(zhuǎn)入其他模式，一旦檢測到前導(dǎo)碼并關(guān)聯(lián)成功就接收數(shù)據(jù)，依據(jù)接收的數(shù)據(jù)進入相應(yīng)工作狀態(tài)(如控制執(zhí)行單元等)。終端工作流程如圖3所示。

圖3 終端工作流程

基站的主要任務(wù)是通過RSS232接口與上位機通信，實時把由終端發(fā)送的感知信息轉(zhuǎn)發(fā)給上位機并將接收上位機下發(fā)的相關(guān)控制信息發(fā)送給終端?；竟ぷ鞯闹骶€是接收終端發(fā)送的信息，基站MCU處在主動工作狀態(tài)，以最高優(yōu)先級保證SX1278處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，定時啟動CAD信道檢測前導(dǎo)碼，及時接收終端發(fā)送信息，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的基本方法與終端類似。基站工作流程如圖4所示。

圖4 基站工作流程

4 測試與分析

為了測試通信平臺的通信效果，采用2臺監(jiān)控終端和1臺基站組成1個簡易星形網(wǎng)絡(luò)，基站設(shè)置在一固定點，2臺終端安置在活動的工具上，3臺筆記本電腦用USB轉(zhuǎn)串口線連接3臺設(shè)備的RS232串口，利用串口調(diào)試助手模擬傳感器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，在基站用串口助手接收數(shù)據(jù)并顯示。通信參數(shù)：無線發(fā)射功率19 dBm、工作頻率433 MHz，帶寬 125 kHz、編碼率4/6、擴頻因子9。以100為單位分組發(fā)送數(shù)據(jù)包，通信測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 通信測試數(shù)據(jù)

實測結(jié)果表明，測試距離超過1 km后，數(shù)據(jù)包接收開始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，當(dāng)接近2.3 km后丟包率已高達35%，但由于在應(yīng)用層采取了通信確認機制，從而確保了數(shù)據(jù)的有效傳輸。綜上所述，在發(fā)射功率為19 dBm情況下能保證至少2.0 km的有效通信，通信平臺具備遠程、低速率、低功耗的通信能力[3，9]。

5 結(jié)語

采用最新物聯(lián)網(wǎng)遠程通信能力的SX1278射頻芯片，設(shè)計了礦用低速遠程監(jiān)控通信平臺。該通信平臺具有低功耗、遠距離、低成本、低速率、抗干抗性好和穿透性強的優(yōu)勢。通信平臺的設(shè)計架構(gòu)具有較好的擴展性和兼容性，特別適用于礦山遠程、低速的數(shù)據(jù)組網(wǎng)傳輸。采用私有通信協(xié)議設(shè)計，降低了研發(fā)成本和使用成本，由于無線通信物理層以SX1278為核心，因此，具備向LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)升級的基礎(chǔ)，有較好的技術(shù)開發(fā)空間。