周德勝

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400039）

隨著煤礦智能開采的不斷發(fā)展和安全監(jiān)控的逐步升級，煤礦井下需要監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)越來越多，需要遠(yuǎn)程控制的智能終端設(shè)備也越來越復(fù)雜，現(xiàn)有廣泛使用的有線總線通信不能滿足終端節(jié)點日益膨脹的物聯(lián)網(wǎng)需求[1]。已有的多種無線通信技術(shù)在礦井展開應(yīng)用，主要包括泄漏通信、小靈通、3G、4G、Wifi、ZigBee 等[2-3]。其中泄漏通信主要應(yīng)用于救援通信，因極低的通信速率和低可靠性逐漸被淘汰；小靈通、3G、4G 主要應(yīng)用在煤礦井下語音和視頻傳輸，通信速率較高但傳輸距離近，功耗高，基站昂貴，抗干擾能力差，多用于主巷道和工作面等有特殊需求的點位，難以展開全網(wǎng)覆蓋；ZigBee通信技術(shù)被應(yīng)用在礦井巷道頂?shù)装逡平勘O(jiān)控、煤礦井下通風(fēng)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)通常采用點對點通信或少量節(jié)點Mesh 組網(wǎng)，受限于通信距離無法大規(guī)模組網(wǎng)；Wifi 通信技術(shù)通信速率高，組網(wǎng)方便，被廣泛應(yīng)用于煤礦井下人員定位，但傳輸距離近，抗干擾能力弱，功耗大，也不適用于安裝位置分布廣泛且功耗敏感的傳感器節(jié)點[4-7]。

LoRa 通信技術(shù)主要面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，采用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，其接收靈敏度可達(dá)-148 dBm，覆蓋范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，容量大，功耗低，支持定位和測距，組網(wǎng)靈活安裝便利，不需要網(wǎng)絡(luò)運營商支持，特別適用于煤礦井下甲烷等易燃易爆有毒有害等氣體混合，煤塵分散，無線傳輸衰減嚴(yán)重，電磁環(huán)境復(fù)雜的環(huán)境[8-10]。

為解決煤礦井下傳感器網(wǎng)絡(luò)無線通信通用性不強(qiáng)，抗干擾能力差，通信距離短，功耗高等問題，設(shè)計了一種基于LoRa 的礦用無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)煤礦井下環(huán)境監(jiān)測與生命信息無線采集，保障各類傳感器與控制器信息可靠傳輸。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由終端，網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器3 層組成，其中終端與網(wǎng)關(guān)組成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。終端包括各類傳感器、執(zhí)行器和移動便攜設(shè)備，負(fù)責(zé)現(xiàn)場參數(shù)采集、設(shè)備運行監(jiān)控和裝置動作執(zhí)行；網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器采用以太網(wǎng)通信，網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)關(guān)之間同時支持以太網(wǎng)和LoRa 無線通信，網(wǎng)關(guān)優(yōu)先采用以太網(wǎng)與服務(wù)器通信，若通信失敗則向相鄰的LoRa 網(wǎng)關(guān)請求轉(zhuǎn)發(fā)；服務(wù)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)處理以及更上層數(shù)據(jù)交互。

2 硬件設(shè)計

SX1268 是Semtech 公司在2018 年推出的一款半雙工收發(fā)器，工作在400 至800 MHz ISM 頻段，輸出功率高達(dá)22 dBm, 接收靈敏度最高可達(dá)-148 dBm，采用前向糾錯（forward error correction，F(xiàn)EC）技術(shù)，具有較高的通信鏈路魯棒性，非常適合煤礦井下使用[11-13]。設(shè)計的系統(tǒng)選用SX1268 作為物理層收發(fā)芯片，其中網(wǎng)關(guān)使用5 片SX1268，每片分別工作在不同的信道上，終端使用1 片SX1268。網(wǎng)關(guān)和終端采用相同的射頻電路，工作在420～440 MHz 頻段，帶寬250 kHz，擴(kuò)頻因子5，最大發(fā)射功率22 dBm，通信接口原理如圖1。

圖1 通信接口原理圖Fig.1 Schematic of communication interface

3 關(guān)鍵技術(shù)

為適應(yīng)井下傳感層終端數(shù)據(jù)傳輸頻率高，可靠性要求高，延時要求低的需求，系統(tǒng)采用自主協(xié)議和顯式幀格式，幀格式見表1。

表1 幀格式Table 1 Frame format

1）終端入網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)同時支持5 個信道通信，其中信道1 用作終端入網(wǎng)管理和網(wǎng)關(guān)間通信，其余信道用作數(shù)據(jù)傳輸。終端設(shè)備上電后首先在信道1 向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送入網(wǎng)請求幀，入網(wǎng)請求幀使用統(tǒng)一的0x00 通信地址，并攜帶自身的設(shè)備設(shè)別號。網(wǎng)關(guān)收到入網(wǎng)請求幀后服務(wù)器申請通信地址，服務(wù)器根據(jù)終端的設(shè)備識別號決定是否允許設(shè)備入網(wǎng)，如果允許則分配1 個當(dāng)前系統(tǒng)唯一使用的通信地址，并由網(wǎng)關(guān)分配1個信道給該終端使用。如果有多個網(wǎng)關(guān)同時收到同一終端的入網(wǎng)請求幀，服務(wù)器選擇收到該幀信號強(qiáng)度大的網(wǎng)關(guān)作為入網(wǎng)接口，網(wǎng)關(guān)處理入網(wǎng)請求流程如圖2。

圖2 入網(wǎng)流程圖Fig.2 Diagram of access

2）通信地址。接入系統(tǒng)的設(shè)備具有唯一的設(shè)備識別號，設(shè)備識別號由8 字節(jié)64 bit 組成，包括最高字節(jié)表示的設(shè)備類型，次高2 個字節(jié)表示的廠家代號和其余字節(jié)表示的設(shè)備序列號。服務(wù)器根據(jù)設(shè)備識別號為終端分配2 個字節(jié)的通信地址，為避免同一終端設(shè)備頻繁請求入網(wǎng)獲得不同的通信地址導(dǎo)致數(shù)據(jù)紊亂，同一設(shè)備識別號離線不超過24 h 內(nèi)重新入網(wǎng)請求時分配同1 個通信地址，只有離線超過24 h 才回收之前的通信地址。

3）網(wǎng)關(guān)容量。LoRa 采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，用多個碼片表示1 位有效信息負(fù)載，擴(kuò)展后的信息傳輸速率即符號速率和幀在空中傳輸時間及幀總符號數(shù)計算如下：

式中：Rs為符號傳輸率；BW 為帶寬；SF 為擴(kuò)頻因子，系統(tǒng)采用顯式幀傳輸，擴(kuò)頻因子為5。

式中：Npreamble為前導(dǎo)碼符號數(shù)，默認(rèn)值12；Nload為負(fù)載字節(jié)數(shù)；ceil 為函數(shù)，表示返回大于或等于表達(dá)式的最小整數(shù)取值；Nheader為幀頭符號數(shù)；NCRC為校驗符號數(shù)；CR 為編碼率代號，取值｛1，2，3，4｝，分別對應(yīng)編碼率｛4/5，4/6，4/7，4/8｝。

4）信道分配。設(shè)某網(wǎng)關(guān)某信道下已經(jīng)帶載n 個終端，第i 個終端對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀空中傳輸時間為ti，通信頻率fi，信道使用率φ。某個信道的使用率大于1 時，位于該信道的終端將出現(xiàn)系統(tǒng)丟包。網(wǎng)關(guān)實時統(tǒng)計各個信道的使用率，若有新的終端請求接入，將該終端加入使用率最低的信道，若所有信道使用率都大于1，則拒絕新的終端入網(wǎng)。

5）信道劃分與終端漫游。系統(tǒng)工作在420～435 MHz 頻段，帶寬250 kHz，共劃分30 個信道，信道按中心頻率由低到高分別記為A0到A29，其中A0為調(diào)試信道，A1為終端入網(wǎng)申請信道，A2到A29為數(shù)據(jù)傳輸信道。系統(tǒng)采用上下行同頻方式，在空曠環(huán)境按簡易正六邊形布置網(wǎng)關(guān)，在井下巷道按正方形布置網(wǎng)關(guān)，相鄰網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)信道互不相同。

4 結(jié) 語

為煤礦井下監(jiān)控設(shè)計了一種基于LoRa 的無線通信系統(tǒng)，詳述了網(wǎng)關(guān)和終端模塊通信接口設(shè)計、終端入網(wǎng)機(jī)制、通信地址管理、信道劃分、移動終端漫游機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)。新設(shè)計的通信系統(tǒng)采用自主協(xié)議，以設(shè)備識別碼唯一標(biāo)識終端，通信地址自動分配，自動將終端鏈接入信號強(qiáng)度最高的網(wǎng)關(guān)且分配使用率最低的信道，移動終端可快速實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)漫游，網(wǎng)絡(luò)布局安裝靈活方便，自適應(yīng)強(qiáng)。該系統(tǒng)在重慶某實驗巷道進(jìn)行了現(xiàn)場測試，在縱向巷道內(nèi)，每1 km布置1 個網(wǎng)關(guān)，每公里范圍內(nèi)均勻布置128 個終端節(jié)點，持續(xù)1 周的運行實驗表明，本系統(tǒng)無線連接可靠，具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，通信距離遠(yuǎn)，使用于煤礦井下傳感層設(shè)備通信。