DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2106-5042-2295

摘? 要：為解決城市電纜隧道建設(shè)出現(xiàn)的通信問題，該文首先分析了目前的電纜隧道通信發(fā)展現(xiàn)狀，隨后對主要的通信方式優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。針對隧道建設(shè)的通信要求，結(jié)合LoRa通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，該文提出了一種基于LoRa技術(shù)的電纜隧道施工通信解決方案。該方案通過LM400TU實(shí)現(xiàn)，可以降低遠(yuǎn)距離通信時的功耗，以滿足隧道施工的長時間作業(yè);可實(shí)現(xiàn)廣播功能，管理平臺管理個人終端;同時增加了定位功能，由上位機(jī)顯示施工人員的相對位置。

關(guān)鍵詞：電纜隧道? ?LoRa? ?無線通信? ?LM400TU

中圖分類號：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）06（b）-0048-04

Design of Cable Tunnel Construction Communication System Based on LoRa Technology

QIU Jian

（Chongqing Power Transmission and Transformation Engineering Co.， Ltd.， Chongqing， 400039? China）

Abstract： In order to solve the communication problems in urban cable tunnel construction， this paper first analyzes the development status and technical overview of the current cable tunnel communication modes， and then analyzes the advantages and disadvantages of the main communication modes. According to the communication requirements of tunnel construction， combined with the advantages of LoRa communication technology， this paper puts forward a communication solution for cable tunnel construction based on LoRa technology. The scheme is realized by LM400TU， which can reduce the power consumption during long-distance communication， so as to meet the long-time operation of tunnel construction; it can realize broadcasting function， and the management platform can manage personal terminals; at the same time， the positioning function is added to display the relative position of construction personnel by the upper computer.

Key Words： Power cable tunnel; LoRa; Wireless communication; LM400TU

隨著城市的迅速發(fā)展，電力需求不斷增加，為了提高城市的美觀和節(jié)省地面資源，大量電纜將會埋入地下，因此需要建設(shè)大量電纜隧道。電纜隧道一般建設(shè)在地下幾米至幾十米，可長達(dá)2～3 km以上。電纜隧道建設(shè)避免了室外高壓線纜在極端惡劣天氣時發(fā)生安全事故的風(fēng)險，從根本上解決電力線路外力破壞的問題^[1]。隧道施工過程中，施工人員需要隨時觀察工作面的山體變化、照明線路的破損狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時匯報，才能迅速撤離施工人員及工作機(jī)械，保證施工人員的安全。目前，隧道施工人員之間的通信主要依靠對講機(jī)，但距離較遠(yuǎn)時只能接力式呼叫，給隧道建設(shè)帶來不便。雖然移動通信網(wǎng)絡(luò)在不斷完善，室外基站數(shù)量不斷增加，但是隧道、礦井內(nèi)存在很多的移動通信盲區(qū)^[2]，且對講機(jī)信號無法穿透路面，地面人員難以做出及時的安全判斷。因此，隧道施工通信需要具備以下功能：遠(yuǎn)距離傳輸以滿足工作人員的雙向通信;實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)與隧道外的通信，一旦出現(xiàn)突發(fā)事件，隧道外管理平臺及時通知施工人員疏散撤離;實(shí)現(xiàn)對施工人員的定位，可以實(shí)現(xiàn)和施工人員的準(zhǔn)確通信，并保證施工人員的安全。

為了滿足以上要求，設(shè)計一種適用于電纜隧道施工人員的通信方案，解決隧道施工通信不及時的問題，保證施工人員的安全。

1? 隧道通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電纜隧道的通信方式可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)，但并沒有形成一套完整的、系統(tǒng)的解決方案。不同的應(yīng)用需要不同的環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)、硬件支持，這樣會導(dǎo)致通信系統(tǒng)的搭建變得更加繁瑣^[3]。目前隧道通信有以下幾種方式。

（1）采用布放音頻電纜，直接將系統(tǒng)電話延伸到電纜內(nèi)，不需要單獨(dú)配置設(shè)備，造價低。但該方式受音頻電纜傳輸距離限制，而且只能夠進(jìn)行一對一呼叫，不具備組呼、廣播、緊急呼叫等功能。

（2）采用移動網(wǎng)絡(luò)或無線對講的方式，具備使用便捷、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)。但這種通信技術(shù)存在通信距離受限、功耗大、成本高、無法泛組網(wǎng)等缺點(diǎn)，不能滿足隧道通信的需求^[4]。

（3）使用ZigBee進(jìn)行自組網(wǎng)絡(luò)通信，能降低通信功耗，但受環(huán)境影響大，傳輸距離短，無法滿足隧道建設(shè)時的遠(yuǎn)距離通信。

針對以上隧道通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種基于LoRa技術(shù)的電纜隧道通信方案。LoRa（Long Range Radio）是一種遠(yuǎn)距離無線電、線性調(diào)頻擴(kuò)頻的調(diào)制技術(shù)^[5-6]，由Semtech公司把這項(xiàng)技術(shù)封裝到芯片中，包括用于網(wǎng)關(guān)和終端的LoRa芯片。該擴(kuò)頻技術(shù)是將0和1這種一位數(shù)據(jù)信號通過多個編碼信號表示，而編碼信號是具有不同初始頻率的線性調(diào)頻信號，稱為碼片。該線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)中，主要使用了3個參數(shù)：擴(kuò)頻因子（SF）、信道帶寬、編碼率。一個數(shù)據(jù)信號由2SF個碼片表示，擴(kuò)頻因子影響傳輸速率、誤碼率、抗干擾能力。信道帶寬指的是頻率的范圍，而編碼率是有效信息占的比例，可以提高接收的有效信噪比^[7]。

LoRa的優(yōu)勢為：可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊，+22 dBm的功率放大器和超過-148 dBm的高靈敏度使得LoRa可以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境;通信頻段無需付費(fèi);低功耗，滿足在隧道施工時的長時間作業(yè)。

2? 電纜隧道通信系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于LoRa無線技術(shù)的電纜隧道通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由管理平臺、個人終端組成。

2.2 LM400TU模塊介紹

系統(tǒng)采用致遠(yuǎn)電子研發(fā)的工業(yè)級LoRa組網(wǎng)透傳模塊LM400TU，該模塊使用飛思卡爾的KL26系列MCU搭載SX1278收發(fā)器，集成度高，便于二次開發(fā)。SX1278采用了軍用戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的LoRa調(diào)制技術(shù)設(shè)計。相比傳統(tǒng)的窄帶調(diào)制技術(shù)，LM400TU模塊采用了擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，在抑制同頻干擾的性能方面也具有明顯優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)設(shè)計方案無法同時兼顧距離、抗擾和功耗的弊端。另外，芯片集成了+20dBm 的可調(diào)功率放大器，實(shí)際按照不同通道最大輸出功率+19 dBm到+18 dBm 之間，特別適合應(yīng)用于遠(yuǎn)距離傳輸且對可靠性要求極高的電纜隧道通信。LM400TU模塊具有的自組網(wǎng)功能，采用一主多從的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過WirelessCfg配置工具實(shí)現(xiàn)對模塊的永久參數(shù)配置，例如工作模式、數(shù)據(jù)是否包括地址、自組網(wǎng)命令配置等。

2.3 系統(tǒng)各部分功能

2.3.1 管理平臺

管理平臺由LM400TU主機(jī)、上位機(jī)顯示、語音采集、語音播放組成。管理平臺的LM400TU模塊設(shè)置為主機(jī)模式，作為一個指揮中心接收各從機(jī)的數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)對所接收到的位置信息進(jìn)行處理，然后顯示施工人員的位置。如果管理人員需要對施工人員下發(fā)任務(wù)、傳達(dá)危險信號、與施工人員通信時，可利用VS1053做語音的編碼和解碼，實(shí)現(xiàn)語音的采集及播放功能。語音信息采集之后，與LM400TU進(jìn)行通訊，利用LoRa調(diào)制技術(shù)將語音信號傳達(dá)給各施工人員。如果主機(jī)接收到從機(jī)的語音信號，主機(jī)作為一個廣播臺，再把這個語音信號通過LoRa發(fā)送給各個從機(jī)，實(shí)現(xiàn)一對多通信的功能。

2.3.2 個人終端

個人終端是施工人員使用的通信工具，個人終端和管理平臺的主機(jī)類似，利用LM400TU和VS1053實(shí)現(xiàn)語音信號的采集和播放。但是在對個人終端配置時，需要把LM400TU配置為單播模式，并開啟自組網(wǎng)功能，節(jié)點(diǎn)類型設(shè)置為從機(jī)。當(dāng)從機(jī)入網(wǎng)之后，就可以和主機(jī)進(jìn)行通訊，同時增加顯示屏和按鍵，使得施工人員的通信不局限于語音，還可以通過按鍵實(shí)現(xiàn)文字交流，發(fā)送關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括主機(jī)、從機(jī)、上位機(jī)3部分，包含數(shù)據(jù)采集處理，傳送數(shù)據(jù)編解碼，位置信息計算及顯示。LM400TU基于AMetal平臺可以快速實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，采用面向?qū)ο蟮腃語言編程方式。

2.4.1 主機(jī)程序設(shè)計

主機(jī)功能是通過上位機(jī)指令管理LoRa無線網(wǎng)絡(luò)、收集從機(jī)數(shù)據(jù)、間斷發(fā)送數(shù)據(jù)信號到從機(jī)并進(jìn)行距離計算。流程圖如圖2所示。

當(dāng)自組網(wǎng)完成后，每個從機(jī)都分配了一個唯一的本地網(wǎng)絡(luò)地址，把網(wǎng)絡(luò)地址通過串口發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行存儲，便于對各個從機(jī)進(jìn)行操作。程序首先需要對串口、IO口等需要用到的外設(shè)進(jìn)行初始化。

施工人員位置計算原理是：通過計算數(shù)據(jù)信號在一對收發(fā)機(jī)之間往返的傳輸時間來測量兩點(diǎn)間的距離。把主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信號和接收端應(yīng)答信號的時間間隔記為Tt，從機(jī)接收主機(jī)的數(shù)據(jù)信號到發(fā)出應(yīng)答信號的時間間隔記為Tr，則單向數(shù)據(jù)傳輸時間T可由下式計算得出^[8]。

則施工人員距離管理平臺的距離d=c×T，其中c表示電磁波傳播速度。

當(dāng)主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)信號時打開定時器，收到應(yīng)答信號時關(guān)閉定時器，取出主機(jī)定時器的時間Tt。當(dāng)從機(jī)接收到主機(jī)的數(shù)據(jù)信號時打開定時器，從機(jī)做出的應(yīng)答信號就是從機(jī)定時器的時間Tr，這時主機(jī)通過這兩個時間數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)距離的計算。只有當(dāng)主機(jī)處于空閑狀態(tài)時，才會發(fā)送數(shù)據(jù)信號，當(dāng)施工人員在進(jìn)行通信的時候，系統(tǒng)不會發(fā)送數(shù)據(jù)信號。

當(dāng)主機(jī)接收到帶有源地址的LoRa信號時，通過搭載的SX1278進(jìn)行信號的解碼，主機(jī)將該數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分析。如果得到的是從機(jī)應(yīng)答信號，系統(tǒng)進(jìn)入距離計算子程序，將距離計算結(jié)果及源地址信息通過串口發(fā)送給上位機(jī)顯示。如果得到的是語音信息，通過LM400TU模塊的ANT管腳發(fā)送給各個從機(jī)，通過轉(zhuǎn)發(fā)的形式，實(shí)現(xiàn)一對多通信。

2.4.2 從機(jī)程序設(shè)計

每個從機(jī)的程序設(shè)計相同，主要功能是實(shí)現(xiàn)LoRa無線信號的解碼與編碼，與VS1053進(jìn)行通信。在LM400TU從機(jī)模塊中對主機(jī)數(shù)據(jù)信號進(jìn)行應(yīng)答，向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答時間。無論是主機(jī)還是從機(jī)，都需要對VS1053進(jìn)行配置。首先是設(shè)置SCI_MODE寄存器的2、12、14位，激活PCM錄音。設(shè)置SCI_AICTRL0，即設(shè)置采樣率，其他寄存器如何設(shè)置可以參考數(shù)據(jù)手冊。VS的PCM錄音需要通過軟件加載patch，修復(fù)錄音BUG。需要注意的是，文件創(chuàng)建之后必須調(diào)用f_close，文件才會真正地體現(xiàn)在文件系統(tǒng)中。

2.4.3 上位機(jī)程序設(shè)計

上位機(jī)在VS平臺中通過C#實(shí)現(xiàn)，功能主要包括顯示施工人員的位置、顯示每個個人終端的在線狀況、顯示施工人員發(fā)送的文字信息。前面提到，主機(jī)會把距離的計算結(jié)果及源地址發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)將得到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)界面顯示出來。

3? 結(jié)語

基于LoRa技術(shù)的電纜隧道施工通信系統(tǒng)，利用致遠(yuǎn)電子的LM400TU模塊，集成MCU處理器和LoRa信號收發(fā)器SX1278，解決了隧道通信傳輸距離不夠，功耗大的問題，同時可以對施工人員進(jìn)行定位，出現(xiàn)突發(fā)事故時及時通知施工人員，確保施工安全。如果隧道不是直線，僅使用一個主機(jī)定位不太理想時，可以增加一個測量方向。

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作者簡介：邱?。?984—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)樽冸娬驹O(shè)備診斷與工程管理。