陳曉晶

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

0 引言

煤礦帶式輸送機(jī)一般配備有膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測并提供保護(hù)控制[1]?，F(xiàn)有的膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)通信主要依靠有線傳輸方式，包括IO控制信號(hào)、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等[2]，線路延伸距離長，在煤礦井下環(huán)境中線路經(jīng)常損壞，導(dǎo)致斷線后自診斷數(shù)據(jù)無法上傳，人工排查故障困難，缺少后備的應(yīng)急通信手段[3]。對帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行監(jiān)測，系統(tǒng)需要接入多種傳感器，有線連接的傳感器在使用時(shí)存在諸多缺點(diǎn)，如抗損性差、成本高、安裝維護(hù)困難等[4-5]。因此，需要引入一種便捷、高效、適合礦井環(huán)境的無線通信技術(shù)，彌補(bǔ)有線通信方式的不足[1]。目前，無線通信技術(shù)在膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用主要以WiFi、ZigBee等傳統(tǒng)無線通信技術(shù)為主，這些技術(shù)主要用作手持移動(dòng)巡檢或遙控終端的接入，沒有擴(kuò)展復(fù)雜應(yīng)用[6]。因受傳輸距離較近、參數(shù)配置不靈活等的限制，WiFi、ZigBee等技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)覆蓋膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的精簡無線組網(wǎng)傳輸，現(xiàn)有的無線組網(wǎng)傳輸方案需要依靠有線串接的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為終端接入點(diǎn)，無法徹底擺脫對有線傳輸方式的依賴[7]。LoRa技術(shù)是一種近幾年發(fā)展起來的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，具備遠(yuǎn)距離、低功耗、低速率、低成本、可大規(guī)模組網(wǎng)的特性[8]。相較傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)，LoRa技術(shù)更適合低速率中遠(yuǎn)距離組網(wǎng)傳輸，在礦井相關(guān)的運(yùn)輸巷、工作面等場合和礦壓、設(shè)備監(jiān)測等系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景[9]。為此，本文提出了一種應(yīng)用于膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的LoRa無線組網(wǎng)技術(shù)方案，可實(shí)現(xiàn)膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)斷線后自診斷數(shù)據(jù)無線上傳、無線傳感器接入和應(yīng)急中繼通信等功能，提高系統(tǒng)斷線故障發(fā)生時(shí)的排查效率，借助無線中繼跳接實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信，提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性、擴(kuò)展性。

1 LoRa技術(shù)

LoRa技術(shù)由Semtech公司在2013年發(fā)布，是一種基于線性擴(kuò)頻調(diào)制的通信技術(shù)，它延續(xù)了頻移鍵控調(diào)制的低功耗特征，同時(shí)增加了通信距離，提高了抗多徑、抗干擾能力[10]。通過對LoRa技術(shù)關(guān)鍵特點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)其對礦井環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。LoRa技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢見表1。

表1 LoRa技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢

LoRa技術(shù)除了在關(guān)鍵特點(diǎn)上具備諸多優(yōu)勢外，還具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)靈活性。LoRa可選的工作頻段覆蓋150～960 Hz頻率范圍，支持全球主要的Sub-GHz ISM頻段。LoRa技術(shù)具備很強(qiáng)的可調(diào)節(jié)性，可配置4個(gè)物理層的主要參數(shù)，參數(shù)值可根據(jù)LoRa設(shè)備的部署方案選取，這些參數(shù)的組合超過6 000多種[11]。通過對主要參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化，可以最大限度滿足不同應(yīng)用場景對傳輸距離、速率、功耗、時(shí)延、穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求。LoRa技術(shù)架構(gòu)開放，可以更方便地設(shè)計(jì)特殊工作模式。

2 LoRa鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)傳輸設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)采用全分布式控制結(jié)構(gòu)，設(shè)備間采用多芯屏蔽電纜連接，采用現(xiàn)場總線技術(shù)建立有線傳輸通道。主機(jī)與閉鎖裝置、各類傳感器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)急停閉鎖、打滑(超速)、跑偏、斷帶、縱撕、堆煤等多項(xiàng)異常保護(hù)功能[12]。同時(shí)主機(jī)將井下控制、保護(hù)信息上傳到地面集控中心，并實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程控制，提高設(shè)備運(yùn)行效率，降低能耗。

膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)覆蓋帶式輸送機(jī)沿線，主要設(shè)備從機(jī)頭位置的主機(jī)向后延伸，沿帶式輸送機(jī)呈線性分布，每間隔200 m設(shè)計(jì)有語音閉鎖裝置，2個(gè)語音閉鎖裝置中間設(shè)有急停閉鎖裝置。

將系統(tǒng)中設(shè)備的線性分布結(jié)構(gòu)映射到無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制主機(jī)上設(shè)計(jì)主機(jī)節(jié)點(diǎn)作為無線網(wǎng)絡(luò)的中心網(wǎng)關(guān)，系統(tǒng)沿線的語音閉鎖裝置中設(shè)計(jì)組網(wǎng)傳輸?shù)淖庸?jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)間隔為200 m，按照膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)單組長度2 km設(shè)計(jì)，子節(jié)點(diǎn)數(shù)量為10個(gè)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 組網(wǎng)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)要求

(1)單組膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的延伸距離可達(dá)2 km，節(jié)點(diǎn)設(shè)備多，空間分布結(jié)構(gòu)呈線性特征，主干設(shè)備節(jié)點(diǎn)間距統(tǒng)一，節(jié)點(diǎn)設(shè)備一致性高、分布均勻，組網(wǎng)方式和傳輸模式需要適應(yīng)節(jié)點(diǎn)分布特征。

(2)組網(wǎng)傳輸主要用于系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)自診斷數(shù)據(jù)和接入的無線傳感器數(shù)據(jù)的傳輸，急停、閉鎖等時(shí)效性要求高、涉及保護(hù)功能的信息通過有線方式傳輸。

(3)為保證采用電池供電的無線傳感器的工作時(shí)長，需要盡可能降低傳感器功耗，要求組網(wǎng)傳輸技術(shù)具備低功耗特性。

(4)應(yīng)急中繼通信狀態(tài)下，對中繼節(jié)點(diǎn)的無線通信數(shù)據(jù)速率、傳輸時(shí)延都有更高的要求。斷點(diǎn)兩側(cè)的無線中繼節(jié)點(diǎn)可切換到高速率傳輸，以滿足應(yīng)急通信需求。

(5)應(yīng)用環(huán)境中存在電磁干擾和多徑干擾等影響因素，需要考慮無線技術(shù)的抗干擾能力設(shè)計(jì)。

無線組網(wǎng)傳輸指標(biāo)的具體要求見表2。

表2 無線組網(wǎng)傳輸指標(biāo)要求

2.3 鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)模式

結(jié)合系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、組網(wǎng)傳輸功能與性能的設(shè)計(jì)要求分析，對多種組網(wǎng)傳輸方式進(jìn)行了對比研究。Mesh組網(wǎng)跳接路徑多變、規(guī)劃管理復(fù)雜，多節(jié)點(diǎn)經(jīng)多跳并發(fā)上報(bào)信息時(shí)延較長。在巷道環(huán)境下，星形組網(wǎng)存在空間分布結(jié)構(gòu)的劣勢，無法滿足延伸距離的需求。相較于傳統(tǒng)的Mesh和星形組網(wǎng)方式，鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)可以支持更多的線性數(shù)據(jù)跳接擴(kuò)展，具有更強(qiáng)的距離延伸性。相同傳輸距離，鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)需要更多的跳接次數(shù)，但是協(xié)調(diào)、均衡的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和傳輸機(jī)制可以降低節(jié)點(diǎn)間的傳輸差異和參數(shù)適配的復(fù)雜度，獲取更好的適用性和整體效率?？梢姡?zhǔn)浇M網(wǎng)結(jié)構(gòu)在膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)這樣線性多點(diǎn)延伸的應(yīng)用場景中具有明顯優(yōu)勢，如果結(jié)合特定傳輸機(jī)制，可以保證較高的傳輸效率，滿足應(yīng)用要求。因此，本文選用LoRa鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)模式。

LoRa鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)模式具備以下功能：

(1)主機(jī)節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有子節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋，同時(shí)主機(jī)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。

(2)信息在子節(jié)點(diǎn)中按照路由規(guī)則跳接傳輸，可實(shí)現(xiàn)沿規(guī)劃路徑向下一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和對上一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的前向應(yīng)答。

(3)子節(jié)點(diǎn)在要求的時(shí)間間隔內(nèi)更新并上傳狀態(tài)信息，保證系統(tǒng)故障發(fā)生和恢復(fù)時(shí)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)快速反饋。

(4)默認(rèn)狀態(tài)下，無線網(wǎng)絡(luò)工作在低功耗模式，以降低帶式輸送機(jī)沿線設(shè)備的功耗。

(5)應(yīng)急通信啟用模式下可以調(diào)整斷點(diǎn)兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的配置參數(shù)，切換到高速應(yīng)急中繼通信狀態(tài)。

根據(jù)鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)傳輸模式的要求，確定了節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)訪問關(guān)系，將主機(jī)節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為一主多從的傳輸方法。LoRa鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)根據(jù)相鄰關(guān)系進(jìn)行路由規(guī)劃，組成單層鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)。LoRa鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)內(nèi)，通過指定路由轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸和應(yīng)答[13]。LoRa鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)的傳輸方法如圖2所示。

圖2 LoRa鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)的傳輸方法

2.4 鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)通信機(jī)制

基于所采用的鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)模式，設(shè)計(jì)了巡檢應(yīng)答式的通信機(jī)制，以滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。LoRa巡檢應(yīng)答式的通信機(jī)制遵循規(guī)則的通信時(shí)序安排，通過時(shí)分將信道進(jìn)行了有序利用。LoRa主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送無線巡檢幀，巡檢幀經(jīng)子節(jié)點(diǎn)順序跳接傳輸?shù)浇K端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)發(fā)起應(yīng)答流程，應(yīng)答幀經(jīng)子節(jié)點(diǎn)順序跳接回傳到主機(jī)節(jié)點(diǎn)。為保證更高的傳輸效率，數(shù)據(jù)傳輸采用可變長度的數(shù)據(jù)幀格式[14]，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文時(shí)，根據(jù)協(xié)議在幀數(shù)據(jù)區(qū)域加載本節(jié)點(diǎn)信息，同時(shí)更新幀頭部分的數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)長度信息。LoRa鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)的應(yīng)答幀格式如圖3所示。

圖3 LoRa鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)的應(yīng)答幀格式

LoRa節(jié)點(diǎn)會(huì)按照自身所處網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮恢眠M(jìn)行異常判斷，下級節(jié)點(diǎn)發(fā)送的續(xù)傳數(shù)據(jù)也是對本節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答，本節(jié)點(diǎn)應(yīng)答數(shù)據(jù)接收超時(shí)后，觸發(fā)數(shù)據(jù)重傳，多次重傳失敗后，將下一節(jié)點(diǎn)判定為掉線，并嘗試連接更下一級的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)修復(fù)。網(wǎng)絡(luò)修復(fù)失敗后，當(dāng)前LoRa節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為終端節(jié)點(diǎn)。主機(jī)LoRa節(jié)點(diǎn)接收到異常信息后啟動(dòng)檢查流程，嘗試對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷和重構(gòu)。主機(jī)上報(bào)異常信息，同時(shí)維持當(dāng)前可用節(jié)點(diǎn)的正常連接[15-16]。

主機(jī)節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的管理功能是通過發(fā)送控制命令來實(shí)現(xiàn)的?？刂泼畎l(fā)送流程與巡檢命令的流程相似，子節(jié)點(diǎn)接收到控制命令后，先將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)出去，接收到下一節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)后再更改本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令時(shí)，均采取連續(xù)2次發(fā)送的方法，以提高傳輸可靠性。若某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整失敗，嘗試重復(fù)多次發(fā)送，一旦觸發(fā)延時(shí)保護(hù)機(jī)制，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將自發(fā)回退到原來的網(wǎng)絡(luò)配置。

2.5 LoRa參數(shù)研究

LoRa技術(shù)主要工作在Sub-GHz頻域范圍，可選擇常規(guī)的433、915 MHz的ISM頻段?？紤]到煤礦井下環(huán)境的特殊性，對頻段選擇進(jìn)行了對比研究。通過Matlab構(gòu)建了一個(gè)寬為4.5 m、高為3 m的典型膠帶運(yùn)輸巷傳輸信道模型，仿真433 MHz和915 MHz頻段水平和垂直方向極化波空間傳導(dǎo)的大尺度衰落情況，仿真結(jié)果如圖4所示。圖中Ev表示垂直極化波仿真結(jié)果,Eh表示水平極化波仿真結(jié)果。從圖4可知，915 MHz頻段的傳輸衰減低于433 MHz頻段，因此，針對LoRa技術(shù)在礦井環(huán)境中的應(yīng)用，選取了915 MHz工作頻段，以獲得更遠(yuǎn)的可靠傳輸距離。

圖4 不同頻率和極化方向的接收電平隨傳輸距離的變化曲線

LoRa的數(shù)據(jù)傳輸速率D的計(jì)算公式如下[17]：

D=S(B/2S)C

(1)

式中：S為擴(kuò)頻因子；B為帶寬；C為編碼率。

S，B，C是影響LoRa傳輸性能的3個(gè)重要可選參數(shù)。S∈[7，12],D與S成反比關(guān)系，S加1,D會(huì)降低到原來的S/(2S-1)，但接收信噪比要求降低2.5 dB,接收抗噪能力增強(qiáng)[18-19]。相同數(shù)據(jù)傳輸速率情況下，高帶寬可以增強(qiáng)抗干擾能力，低帶寬可以擁有更好的接收靈敏度。數(shù)據(jù)傳輸速率的增加，會(huì)降低傳輸?shù)逆溌吩６?，從而影響傳輸距離，應(yīng)用中需要在數(shù)據(jù)傳輸速率、鏈路裕度、抗干擾能力之間進(jìn)行權(quán)衡。

設(shè)計(jì)中考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率和時(shí)延控制要求較高，選擇了250 kHz或500 kHz的較大頻帶寬度參數(shù)，再根據(jù)D選擇S值。同時(shí)選擇和使用了較高的編碼率，以保障較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

2.6 抗干擾設(shè)計(jì)

巷道空間中存在膠帶支架、水管、巡檢人員等，會(huì)對無線信號(hào)的傳輸造成遮擋，也會(huì)增加多徑干擾。LoRa的Sub-GHz頻段繞射性能優(yōu)于傳統(tǒng)的2.4 GHz頻段，且擴(kuò)頻調(diào)制方式抗多徑干擾能力更強(qiáng)。但為了保證傳輸可靠性，實(shí)際應(yīng)用中在接收側(cè)需要預(yù)留一定的功率裕度。

變頻器、電動(dòng)機(jī)在一定的頻譜范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，但隨著頻率的升高，高次諧波的能量減小，電磁輻射干擾會(huì)減弱。變頻器的電磁輻射干擾在小于200 MHz的頻帶內(nèi)強(qiáng)度較大，電動(dòng)機(jī)的電磁輻射干擾則集中在小于10 MHz的頻帶內(nèi)，應(yīng)用中應(yīng)盡量避開干擾源，選擇遠(yuǎn)高于200 MHz的頻段。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

結(jié)合膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)有接口條件和組網(wǎng)傳輸要求，設(shè)計(jì)了用于膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的LoRa無線組網(wǎng)傳輸節(jié)點(diǎn)設(shè)備，LoRa節(jié)點(diǎn)設(shè)備基于MKL15系列低功耗MCU控制器，集成了LoRa無線通信接口、RS232通信接口、鋰電池充放電等功能電路，后備電池可以在斷電情況下維持正常的無線通信功能。LoRa模塊的配置管理、收發(fā)控制等功能均在MCU控制器上編程實(shí)現(xiàn)。硬件設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖5 LoRa節(jié)點(diǎn)設(shè)備硬件

核心的LoRa無線通信接口電路基于SX1262芯片設(shè)計(jì)，SX1262芯片是最新一代的LoRa芯片組產(chǎn)品，最大射頻發(fā)送功率可達(dá)22 dB·m，支持 150～960 MHz范圍內(nèi)Sub-GHz的ISM頻段。射頻開關(guān)選用了PE4259，插入損耗為0.35 dB，射頻隔離為30 dB，切換時(shí)間為1.5 μs。LoRa芯片通過SPI接口與MCU控制器進(jìn)行通信，MCU控制LoRa芯片進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)收發(fā)，完成相關(guān)的無線通信功能。基于SX1262芯片的LoRa無線通信接口電路如圖6所示[13]。

圖6 基于SX1262芯片的LoRa無線通信接口電路

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

在LoRa無線組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的MCU控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)傳輸技術(shù)的軟件功能。無線節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，首先完成硬件接口的初始化，然后配置LoRa相關(guān)參數(shù)，設(shè)置LoRa節(jié)點(diǎn)工作在低速監(jiān)測模式。主機(jī)LoRa節(jié)點(diǎn)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)訪問，查詢網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和信號(hào)情況，判斷網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)在線的數(shù)量和質(zhì)量，如網(wǎng)絡(luò)存在連接不良，則通過約定的協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，再次監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)量和信號(hào)質(zhì)量，達(dá)到最優(yōu)的傳輸效果。

網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)調(diào)整完成后，由主機(jī)LoRa節(jié)點(diǎn)發(fā)起組網(wǎng)傳輸。主機(jī)可控制網(wǎng)絡(luò)切換到應(yīng)急中繼通信狀態(tài)，該模式一旦觸發(fā)，主機(jī)按照應(yīng)急通信的要求控制修改網(wǎng)絡(luò)內(nèi)斷點(diǎn)兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，通過兩節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信。網(wǎng)絡(luò)調(diào)整完成后，除中繼節(jié)點(diǎn)外，其他節(jié)點(diǎn)還是采用巡檢應(yīng)答的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。LoRa組網(wǎng)傳輸軟件流程如圖7所示。

圖7 LoRa組網(wǎng)傳輸軟件流程

4 測試驗(yàn)證分析

依托LoRa組網(wǎng)傳輸設(shè)備對LoRa鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)的傳輸性能進(jìn)行測試，在不同的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置下測試與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)的功耗和時(shí)延情況。通過分析測試的結(jié)果對LoRa鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)傳輸技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 節(jié)點(diǎn)功耗測試分析

對LoRa節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行功耗測定，對比測試了不同發(fā)射功率條件下LoRa節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送功耗，見表3。

表3 不同發(fā)射功率條件下LoRa節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送功耗

由表3可知，節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送功耗隨射頻發(fā)射功率的增大而增大。序號(hào)為4—7的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，射頻發(fā)射功率增加3 dB·m，設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送功耗的增長率小于20%，遠(yuǎn)低于射頻發(fā)射功率約為100%的增長率，因此，應(yīng)盡量選擇更高的射頻發(fā)射功率。

在多個(gè)不同類型的帶式輸送機(jī)沿線環(huán)境進(jìn)行2個(gè)節(jié)點(diǎn)間距為300 m的組網(wǎng)通信測試，結(jié)果表明，發(fā)射功率在8 dB·m以上可保證20 kbit/s無線空口速率下的數(shù)據(jù)可靠傳輸。

考慮到帶式輸送機(jī)沿線設(shè)備的供電限制要求，在LoRa組網(wǎng)傳輸模式下，無線發(fā)送狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)功耗應(yīng)該控制在300 mW以內(nèi)，相應(yīng)的發(fā)射功率應(yīng)不大于14 dB·m，并在此功率限制條件下，進(jìn)行了后續(xù)相關(guān)傳輸性能的研究。

4.2 節(jié)點(diǎn)間傳輸時(shí)延測試分析

LoRa節(jié)點(diǎn)之間的傳輸時(shí)延由空中時(shí)間(Time on Air, ToA)和MCU控制器處理時(shí)延決定，ToA值主要取決于無線空口速率和幀長度，每一幀包含固定長度的幀頭以及可變長度的數(shù)據(jù)區(qū)。實(shí)際測試了幾種不同數(shù)據(jù)傳輸速率、不同數(shù)據(jù)長度的單幀數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，不同數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)長度下的傳輸時(shí)延如圖8所示。

圖8 不同數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)長度下的傳輸時(shí)延

從圖8可看出，傳輸時(shí)延隨數(shù)據(jù)傳輸速率的提高而降低，對比1，7，56 byte三種不同長度數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)延，數(shù)據(jù)包長度越長，數(shù)據(jù)發(fā)送效率越高。為獲得要求的數(shù)據(jù)傳輸速度和效率，需要選擇較高的LoRa數(shù)據(jù)傳輸速率、較大的數(shù)據(jù)包封裝進(jìn)行傳輸。根據(jù)組網(wǎng)傳輸時(shí)延小于3 s的技術(shù)要求，結(jié)合圖8中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，組網(wǎng)傳輸需要選擇4 750 bit/s以上的數(shù)據(jù)傳輸速率。

按照設(shè)計(jì)的LoRa組網(wǎng)傳輸方法，搭建了鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)測試環(huán)境。使用9 501 bit/s的無線空口速率，每節(jié)點(diǎn)傳輸10 byte數(shù)據(jù)，對10個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延進(jìn)行測試，單巡檢傳輸周期的時(shí)延為1.12 s，完全滿足組網(wǎng)傳輸時(shí)延方面的要求。相同網(wǎng)絡(luò)條件下，若使用Mesh組網(wǎng)模式，全部節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)上傳的一個(gè)周期時(shí)長超過2.3 s。而星形組網(wǎng)模式下，要滿足2 km距離傳輸，需要限制數(shù)據(jù)傳輸速率不高于656 bit/s，該速率下傳輸延時(shí)非常高，無法滿足設(shè)計(jì)需求。

4.3 組網(wǎng)傳輸性能測試

為驗(yàn)證組網(wǎng)傳輸性能，測試了不同間距和不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量下LoRa鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)傳輸?shù)膩G包率，如圖9所示。

圖9 不同間距和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量下LoRa鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)傳輸丟包率

從圖9中可看出，200 m間距組網(wǎng)傳輸?shù)膩G包率高于100 m間距組網(wǎng)傳輸?shù)膩G包率，隨著組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的線性增加，組網(wǎng)傳輸?shù)膩G包率逐漸增大。鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)模式中，小于30個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的組網(wǎng)傳輸丟包率均小于1.2%，結(jié)合所設(shè)計(jì)的確認(rèn)和重發(fā)機(jī)制，可保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，滿足組網(wǎng)傳輸?shù)恼`碼率要求。對比測試星形組網(wǎng)模式，子節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)的距離超過400 m后丟包率會(huì)急劇增加，無法滿足所需的穩(wěn)定覆蓋距離要求。

5 結(jié)論

(1)提出的LoRa鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)傳輸技術(shù)使用了適合礦井環(huán)境的915 MHz頻段、250/ 500 kHz帶寬，采用特殊的鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜脱矙z應(yīng)答式的傳輸機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)自診斷數(shù)據(jù)上傳、無線傳感器接入、應(yīng)急中繼通信功能。

(2)測試結(jié)果表明:組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)的功耗小于300 mW，10級節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)傳輸時(shí)延為1.12 s，丟包率小于0.6%，能夠滿足膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)對無線通信時(shí)延、功耗、可靠性等方面的要求。

(3)LoRa的鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)傳輸技術(shù)還可以擴(kuò)展應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)的其他方面，未來也將針對傳輸特性優(yōu)化、批量無線傳感器接入開展進(jìn)一步研究。