基于LoRa 的礦用無線通信系統(tǒng)設計

周德勝

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，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)和設備狀態(tài)越來越多，需要遠程控制的智能終端設備也越來越復雜，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在礦井展開應用，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通信技術被應用在礦井巷道頂?shù)装逡平勘O(jiān)控、煤礦井下通風設備遠程監(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 通信技術通信速率高，組網(wǎng)方便，被廣泛應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 通信技術主要面向物聯(lián)網(wǎng)應用，采用線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術，其接收靈敏度可達-148 dBm，覆蓋范圍廣，抗干擾能力強，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，無線傳輸衰減嚴重，電磁環(huán)境復雜的環(huán)境[8-10]。

為解決煤礦井下傳感器網(wǎng)絡無線通信通用性不強，抗干擾能力差，通信距離短，功耗高等問題，設計了一種基于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)關和服務器3 層組成，其中終端與網(wǎng)關組成星型拓撲結(jié)構(gòu)。終端包括各類傳感器、執(zhí)行器和移動便攜設備，負責現(xiàn)場參數(shù)采集、設備運行監(jiān)控和裝置動作執(zhí)行；網(wǎng)關與服務器采用以太網(wǎng)通信，網(wǎng)關與網(wǎng)關之間同時支持以太網(wǎng)和LoRa 無線通信，網(wǎng)關優(yōu)先采用以太網(wǎng)與服務器通信，若通信失敗則向相鄰的LoRa 網(wǎng)關請求轉(zhuǎn)發(fā)；服務器負責網(wǎng)絡管理、數(shù)據(jù)處理以及更上層數(shù)據(jù)交互。

2 硬件設計

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22 dBm, 接收靈敏度最高可達-148 dBm，采用前向糾錯（forward error correction，F(xiàn)EC）技術，具有較高的通信鏈路魯棒性，非常適合煤礦井下使用[11-13]。設計的系統(tǒng)選用SX1268 作為物理層收發(fā)芯片，其中網(wǎng)關使用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 關鍵技術

為適應井下傳感層終端數(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)關間通信，其余信道用作數(shù)據(jù)傳輸。終端設備上電后首先在信道1 向網(wǎng)絡發(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，并攜帶自身的設備設別號。網(wǎng)關收到入網(wǎng)請求幀后服務器申請通信地址，服務器根據(jù)終端的設備識別號決定是否允許設備入網(wǎng)，如果允許則分配1 個當前系統(tǒng)唯一使用的通信地址，并由網(wǎng)關分配1個信道給該終端使用。如果有多個網(wǎng)關同時收到同一終端的入網(wǎng)請求幀，服務器選擇收到該幀信號強度大的網(wǎng)關作為入網(wǎng)接口，網(wǎng)關處理入網(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)的設備具有唯一的設備識別號，設備識別號由8 字節(jié)64 bit 組成，包括最高字節(jié)表示的設備類型，次高2 個字節(jié)表示的廠家代號和其余字節(jié)表示的設備序列號。服務器根據(jù)設備識別號為終端分配2 個字節(jié)的通信地址，為避免同一終端設備頻繁請求入網(wǎng)獲得不同的通信地址導致數(shù)據(jù)紊亂，同一設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)關容量。LoRa 采用擴頻調(diào)制技術，用多個碼片表示1 位有效信息負載，擴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 為擴頻因子，系統(tǒng)采用顯式幀傳輸，擴頻因子為5。

式中：Npreamble為前導碼符號數(shù)，默認值12；Nload為負載字節(jié)數(shù)；ceil 為函數(shù)，表示返回大于或等于表達式的最小整數(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｝，分別對應編碼率｛4/5，4/6，4/7，4/8｝。

4）信道分配。設某網(wǎng)關某信道下已經(jīng)帶載n 個終端，第i 個終端對應的數(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，在井下巷道按正方形布置網(wǎng)關，相鄰網(wǎng)關數(shù)據(jù)信道互不相同。

4 結(jié) 語

為煤礦井下監(jiān)控設計了一種基于LoRa 的無線通信系統(tǒng)，詳述了網(wǎng)關和終端模塊通信接口設計、終端入網(wǎng)機制、通信地址管理、信道劃分、移動終端漫游機制等關鍵技術。新設計的通信系統(tǒng)采用自主協(xié)議，以設備識別碼唯一標識終端，通信地址自動分配，自動將終端鏈接入信號強度最高的網(wǎng)關且分配使用率最低的信道，移動終端可快速實現(xiàn)網(wǎng)關漫游，網(wǎng)絡布局安裝靈活方便，自適應強。該系統(tǒng)在重慶某實驗巷道進行了現(xiàn)場測試，在縱向巷道內(nèi)，每1 km布置1 個網(wǎng)關，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，具有較強的抗電磁干擾能力，通信距離遠，使用于煤礦井下傳感層設備通信。