基于LoRaWAN的核電建設(shè)期車輛管理系統(tǒng)

毛鐸陪 李英

為了實(shí)現(xiàn)核電建設(shè)、調(diào)試階段的車輛動態(tài)管理，設(shè)計(jì)核電建設(shè)期車輛管理系統(tǒng)。基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程通信技術(shù)，采用LoRa技術(shù)構(gòu)建具有抗干擾能力好、穿透力強(qiáng)、通信遠(yuǎn)距離的雙向通信和定位系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件平臺以SX1278射頻芯片為通信單元，在MCU的控制下，星形網(wǎng)絡(luò)作為通信組網(wǎng)的基本架構(gòu)，使用GPS（北斗）雙模定位技術(shù)，在LoRaWAN協(xié)議的支持下，實(shí)現(xiàn)車輛的遠(yuǎn)程通信和定位功能。

目前核電建設(shè)廠區(qū)大，施工單位較多，車輛多，種類復(fù)雜，管理難度大，特別是特種車輛，需要定期檢驗(yàn)，對操作人員資質(zhì)有要求，需要實(shí)時關(guān)注其動態(tài)信息；廠區(qū)內(nèi)對供電有較嚴(yán)格管制，在通訊方面，有線網(wǎng)絡(luò)很容易受到施工影響（挖斷、壓斷等），無線網(wǎng)絡(luò)受制于通訊距離、用電和安規(guī)要求。LoRa技術(shù)作為一種物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程通信技術(shù)，兼顧了低功耗、遠(yuǎn)距離、低速率、低成本和大規(guī)模組網(wǎng)的特點(diǎn)，具有抗干擾能力強(qiáng)、障礙物穿透性好的優(yōu)勢。針對現(xiàn)場的實(shí)際情況，采用LoRa技術(shù)所具有的遠(yuǎn)程通信，結(jié)合GPS（北斗）定位技術(shù)，構(gòu)建核電建設(shè)現(xiàn)場的車輛管理系統(tǒng)，結(jié)合廠區(qū)GIS地圖，實(shí)現(xiàn)按區(qū)域劃分的24小時不間斷監(jiān)督和管控。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)組成和基本功能

該系統(tǒng)用于管理廠區(qū)內(nèi)車輛分布、定位、行駛情況，也可查看車輛的歷史行駛軌跡，整個系統(tǒng)主要由定位終端、通信基站（網(wǎng)關(guān)）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和管理系統(tǒng)、GIS服務(wù)器等組成，其中定位終端若干個，通信基站若干臺，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器一臺，管理系統(tǒng)若干臺，GIS服務(wù)器一臺。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖l所示。

主要功能：一是一鍵定位（打卡）功能，按鍵后立即啟用GPS（北斗）定位，并把當(dāng)前坐標(biāo)傳回服務(wù)器；二是人員車輛定位，終端定期自動進(jìn)行GPS（北斗）定位，并把坐標(biāo)通過Lora基站傳回服務(wù)器；三是結(jié)合廠區(qū)GIS地圖，將廠區(qū)劃分區(qū)域，進(jìn)行網(wǎng)格化管理；四是特種作業(yè)（如動火作業(yè)、吊裝等）時可在線監(jiān)督施工人員、安全監(jiān)督人員的配備、到位、執(zhí)行情況，特種車輛管理的定期檢修和超期提醒，并在GIS地圖上顯示。

（二）系統(tǒng)工作原理

2013年8月，美國Semtech公司研發(fā)出一種新型物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程單跳組網(wǎng)技術(shù)——“LoRa技術(shù)”，它采用擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)、前向糾錯編碼和數(shù)字信號處理等技術(shù)，解決了低功耗和遠(yuǎn)距離通訊難以兼得的難題，并研發(fā)了SX126X、SX127X系列終端芯片，SX1301網(wǎng)關(guān)芯片。LoRa技術(shù)具有低功耗、遠(yuǎn)距離、低速率、低成本、大規(guī)模組網(wǎng) 明顯的技術(shù)優(yōu)勢，其以星形網(wǎng)絡(luò)為基本通信架構(gòu)，在免費(fèi)的非授權(quán)頻段工作（470～518MHz），傳輸速率為0.3～36.5 kbit/s。在開闊環(huán)境下面通信距離達(dá)到10Km，復(fù)雜環(huán)境下可達(dá)2KM，具有抗干擾能力強(qiáng)、穿透性好等優(yōu)點(diǎn)，適合核電建設(shè)現(xiàn)場。

車輛定位終端體積小重量輕（如銀行卡大小，重量50g左右），配備大容量聚合物鋰電池，可使用手機(jī)、移動電源等進(jìn)行充電，終端根據(jù)默認(rèn)設(shè)定、電量、充電情況自主切換傳輸頻率，也可接收遠(yuǎn)程指令自行調(diào)整發(fā)送頻率。

二、硬件平臺設(shè)計(jì)

LoRa硬件通訊平臺是本系統(tǒng)的核心組件之一，主要包括車輛佩帶的定位終端和數(shù)據(jù)透傳的基站。定位終端硬件模塊如圖2所示，由MCU模塊（集成藍(lán)牙）、SX1278射頻處理模塊、執(zhí)行單元、電源模塊、GPS模塊等組成。

Nordic nRF52832 是一款功能強(qiáng)大，高度靈活的超低功耗多協(xié)議的低功耗藍(lán)牙處理模塊，它是一款帶有浮點(diǎn)運(yùn)算單元的ARM Cortex-M4 32位處理器，工作頻率64MHz，F(xiàn)lash 512KB， RAM 64KB的處理器模塊，同時它也是一款在低功耗模式下的靈敏度-96 dBm，-20至+4 dBm TX功率可調(diào)的藍(lán)牙采集模塊，同時集成可以支持多協(xié)議，包括ble藍(lán)牙低功耗，ANT和2.4GHz專有協(xié)議；現(xiàn)場安全監(jiān)督人員進(jìn)行巡視時，使用管理APP，可感知10～20米內(nèi)車輛信息，快速進(jìn)行合規(guī)作業(yè)甄別（如作業(yè)許可、人員資質(zhì)等方面）。

LF7811 LoRa數(shù)據(jù)傳輸模塊，封裝一顆Semtech的LoRa SX1278芯片，采用高精度的晶體和物料即可獲得超過-139dBm 的高靈敏度，與+18.6dBm 功率放大器的集成使這些器件的鏈路預(yù)算達(dá)到了行業(yè)領(lǐng)先水平；

GPS+北斗定位單元定位模組，采用u-blox新一代UBX-M8030-KT方案的模組，是一款支持BDS B1/GPS L1/GlONASS L1頻點(diǎn)（三選二）雙模導(dǎo)航定位模塊。模塊內(nèi)部集成了u-blox方案的新一代可支持BDS B1/GPS L1/GLONASS L1頻點(diǎn)SOC基帶+射頻一體芯片，模組可以跟蹤多達(dá)72個通道的同時，在弱信號環(huán)境下快速TTFF定位。

MCU通過SPI總線與UBX-M8030-KT進(jìn)行通訊，獲取GPS坐標(biāo)，再通過SPI總線與SX1278進(jìn)行通訊，將GPS坐標(biāo)信息等傳遞出去，MCU通過URAT總線與執(zhí)行單元進(jìn)行通訊，在接收到基站發(fā)送的指令后，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)調(diào)整。電源模塊直接為其它模塊供電，由于采用低功耗設(shè)計(jì)，一般電池可以使用40小時以上（通訊頻次較高）。

基站是整個通訊的中心與關(guān)鍵，起到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄鹤饔茫捎肧X1301芯片，上行8通道下行1通道，采用POE供電。

三、定位技術(shù)

基于LoRa技術(shù)的定位方案主要有兩種：1、通過基站讀取接收信號強(qiáng)度值RSSI，2、通過基站接收無線信號傳輸時間差（TDOA）；兩種定位方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是定位精度都比較低，受外界環(huán)境干擾比較大（遮擋、反射等），鄉(xiāng)村環(huán)境實(shí)現(xiàn)30米精度，城市環(huán)境實(shí)現(xiàn)150米精度，對于核電建設(shè)廠區(qū)，30米精度已無法滿足現(xiàn)場管理要求，因此引入GPS（北斗）定位，采用u-blox新一代UBX-M8030-KT模組，其理論精度在2.5CEP，實(shí)際測試在5米左右，已經(jīng)基本滿足現(xiàn)場需要。

四、應(yīng)用系統(tǒng)

系統(tǒng)采用了B/S架構(gòu)RESTful風(fēng)格，前后臺剝離，所有的數(shù)據(jù)最終都匯集到管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲、分析和處理。應(yīng)用系統(tǒng)軟件由三個模塊17個應(yīng)用組成，相互協(xié)作完成車輛定位管理功能。應(yīng)用系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個應(yīng)用系統(tǒng)核心采用GPS（北斗）定位，通過LoRaWAN進(jìn)行低功耗遠(yuǎn)距離傳輸。

五、結(jié)束語

基于LoRaWAN技術(shù)的車輛定位管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮了LoRa技術(shù)低功耗、低成本、遠(yuǎn)距離、抗干擾能力強(qiáng)、穿透好的特點(diǎn)，結(jié)合GPS（北斗）定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜環(huán)境下雙向通信，同時兼顧了車輛定位功能，其定位精度達(dá)到5m的水平，具有較好實(shí)用價(jià)值，并且可以以定位管理為基礎(chǔ)擴(kuò)展對車輛的管控，如車輛進(jìn)退場、車輛基本信息管理、車輛軌跡追溯等，將有利于提高核電建設(shè)現(xiàn)場車輛的管理水平。

作者單位：國核工程有限公司

基金項(xiàng)目：國家重大專項(xiàng)課題2018ZX06002002《CAP1400核電關(guān)鍵建造調(diào)試技術(shù)研究》