礦用無線智能終端測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

李起偉

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

隨著煤礦智能化、智慧化的不斷推進(jìn)及基于云端大數(shù)據(jù)的綜合業(yè)務(wù)的需要以及4G/5G 等核心技術(shù)的普遍應(yīng)用，無線智能終端更新?lián)Q代速度及需求量持續(xù)增加，導(dǎo)致無線智能終端的測(cè)試工作量劇增[1-3]。為保證無線智能終端的產(chǎn)品質(zhì)量以及為產(chǎn)品改進(jìn)提供大量測(cè)試數(shù)據(jù)，需對(duì)無線智能終端的持續(xù)距離、移動(dòng)速度等各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行持續(xù)測(cè)試，這樣就對(duì)人工測(cè)試的測(cè)試手段帶來更高的要求及挑戰(zhàn)。因此，研制一套可以測(cè)試分析無線智能終端的信號(hào)質(zhì)量、最低接收靈敏度、通信距離等指標(biāo)的測(cè)試系統(tǒng)是非常有必要的。

文中針對(duì)當(dāng)前4G/5G 無線智能終端所采用的測(cè)試手段單一、測(cè)量數(shù)據(jù)獨(dú)立、交互融合算法落后，不能科學(xué)、規(guī)范、高效地對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫融合，同時(shí)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性、一致性難以保障等相關(guān)問題，提出一種采用基于AGV 無線程控車為載體，綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置及無線傳輸控制技術(shù)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)智能終端的自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地判定被測(cè)智能終端的性能，篩選出性能無法達(dá)到預(yù)期值的不良品，使得真正投入井下使用的智能終端的各項(xiàng)性能優(yōu)良，在極端的環(huán)境下可以達(dá)到精確定位及實(shí)現(xiàn)當(dāng)前的環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與實(shí)時(shí)上傳，保障礦井人員的安全。

1 礦用無線智能終端測(cè)試系統(tǒng)組成

礦用無線智能終端測(cè)試系統(tǒng)主要由綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置、無線程控AGV 裝置及綜合數(shù)據(jù)集中解釋軟件平臺(tái)組成。綜合數(shù)據(jù)集中解釋軟件平臺(tái)包括上位機(jī)和軟件系統(tǒng)，該平臺(tái)可通過綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置記錄測(cè)試終端的通信數(shù)據(jù)變化、提供報(bào)表打印并能控制無線程控AGV 裝置的停止、前進(jìn)；綜合多元數(shù)據(jù)采集融合裝置為系統(tǒng)提供多樣通信服務(wù)；無線程控AGV 裝置負(fù)載被測(cè)終端并接收軟件平臺(tái)發(fā)送的指令，通過導(dǎo)引定位使AGV 裝置沿設(shè)定路徑完成指令[4]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無線智能終端測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

礦用無線智能終端測(cè)試系統(tǒng)，具有多種無線信號(hào)采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)解釋及打印等功能，可以實(shí)現(xiàn)多種無線智能終端靈敏度、丟卡率、通信距離、最大移動(dòng)速度、精確定位等性能的測(cè)試。同時(shí)礦用無線智能終端測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)視無線程控AGV 裝置的狀態(tài)，通過無線下發(fā)命令控制AVG 裝置，從而形成高效的整體閉環(huán)測(cè)試。例如在測(cè)試無線終端通信距離時(shí)，終端以及無線程控AGV 裝置獨(dú)立與綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，把終端通信參數(shù)和AGV 裝置距離信息上傳至軟件平臺(tái)，軟件平臺(tái)記錄數(shù)據(jù)并形成報(bào)表，當(dāng)上傳數(shù)據(jù)僅剩一種時(shí)，該次測(cè)試完成。測(cè)試流程如圖2 所示。

圖2 距離測(cè)試流程圖

2 綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置

綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸層，按照工業(yè)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的思路設(shè)計(jì)而成。其設(shè)計(jì)充分考慮移動(dòng)靈活、維護(hù)便捷及后續(xù)拓展，使得設(shè)計(jì)方案達(dá)到最優(yōu)。該裝置通過有線連接與上位機(jī)軟件平臺(tái)進(jìn)行通訊，具備4 種無線通訊模塊，擴(kuò)大了系統(tǒng)可測(cè)試終端種類。

圖3 綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置架構(gòu)圖

綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置內(nèi)采用工業(yè)交換機(jī)模塊，具備千兆網(wǎng)絡(luò)傳輸和組網(wǎng)功能，主要由4G/5G通信模塊、UWB 定位通信模塊、WiFi 通信模塊、ZigBee 通信模塊、頻譜儀和測(cè)速儀組成。與核心網(wǎng)之間以光纖為主要連接，雙絞線作為輔助連接。綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置實(shí)現(xiàn)模塊設(shè)備的共電源、共傳輸，并預(yù)留部分以太網(wǎng)接口，方便其他拓展測(cè)試儀器使用。綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置各種無線模塊通過增益最大覆蓋范圍150～600 m，能夠完全滿足無線智能終端的有效距離測(cè)試。

綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置的主要特點(diǎn)：

1）綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置增益后通信距離為150～600 m，無線數(shù)據(jù)傳輸速度上行峰值可達(dá)50 Mbps，下行峰值可達(dá)150 Mbps，能根據(jù)實(shí)際需要配置，滿足各種無線智能終端的測(cè)試要求。

2）綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置最大可正常測(cè)試移動(dòng)速度不超過1 m/s 的任意無線智能終端。

3）最大支持接收靈敏度不小于-120 dB 的無線智能終端的測(cè)試。

4）綜合多源數(shù)據(jù)采集融合裝置提供4 個(gè)FE/GE電口,2 個(gè)FE/GE 光口，方便后續(xù)拓展部署使用。

3 無線程控AGV裝置設(shè)計(jì)

無線程控AGV 裝置主要由AGV 小車及程控角度位置變換工裝等組成，其設(shè)計(jì)方案按照工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，將無線程控AGV 裝置的功能模塊化，并充分考慮無線終端在測(cè)試過程中的位置變化需求，制作了程控角度位置變換工裝，機(jī)械材料采用Q235 鋼板，其剛度強(qiáng)、材質(zhì)好且質(zhì)量輕。能夠在0.4 m/s 的移動(dòng)速度下承載重量約為10 千克的設(shè)備[5]。布局應(yīng)用分塊隔離方法，有效地將大容量的鋰電池與其他電路及易摩擦的運(yùn)動(dòng)體隔開，以達(dá)到除了能滿足正常的測(cè)試需求，在一定程度上起到防御安全隱患的作用。圖4 為車體結(jié)構(gòu)圖。

圖4 無線程控AGV小車裝置結(jié)構(gòu)圖

3.1 AGV控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

AGV 小車是測(cè)試系統(tǒng)的執(zhí)行層，通過響應(yīng)上位機(jī)軟件平臺(tái)下達(dá)的指令來控制車輛動(dòng)作，其主要功能包括運(yùn)行與動(dòng)作控制、無線通信等[6]。該文設(shè)計(jì)的AGV 小車主要由主控制器、磁導(dǎo)航傳感器、射頻讀卡器、顯示屏、鋰電池、無線通信模塊、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成[7]。AGV 小車系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 AGV系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

主控制器采用意法半導(dǎo)體的互聯(lián)型微控制器STM32F107VC，接收來自電源模塊24 V 和5 V 供電[8]。24 V 主要是給繼電器以及外接設(shè)備供電，5 V是為微控制器供電；磁導(dǎo)航傳感器和程控工裝通過GPIO 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信；液晶顯示屏通過I2C 模擬串口進(jìn)行狀態(tài)顯示；無線通信模塊和射頻讀卡器則通過USART 口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；通過輸出PWM 信號(hào)控制車體的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；電壓檢測(cè)輸出的模擬信號(hào)通過A/D 模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

3.2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 磁導(dǎo)航傳感器

導(dǎo)航方式采用磁帶導(dǎo)航，磁帶導(dǎo)航是利用磁性傳感器檢測(cè)預(yù)鋪設(shè)磁帶的磁場(chǎng)，通過感應(yīng)磁場(chǎng)變化計(jì)算AGV行駛時(shí)的偏移方向和偏移量[9]。該文采用沈陽軍航電器有限公司的JH-08N型傳感器。該傳感器利用8 路采樣點(diǎn)NPN 型三極管輸出偏差電壓，輸出電壓為5 V，檢測(cè)距離為10～30 mm，檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量為8路，響應(yīng)時(shí)間為10 ms。磁導(dǎo)航傳感器電路及接口如圖6所示。

圖6 磁導(dǎo)航傳感器電路及接口圖

3.2.2 無線通信模塊

無線通信模塊式管理控制層與執(zhí)行層之間傳遞信息的紐帶，主要用來與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)發(fā)送的各種命令信息，并把自己的運(yùn)行信息報(bào)告給管理控制層，使系統(tǒng)能夠監(jiān)控車體的狀態(tài)[10]。

無線通信模塊，選用成都澤耀科技有限公司的AS32-TTL-100 模 塊[11]。AS32-TTL-100 是一款基于Semtech 原裝SX1278 射頻芯片而研發(fā)，該模塊為LORA 擴(kuò)頻傳輸，接收靈敏度高、距離遠(yuǎn)，功率只有100 mW。其工作頻段在410～441 MHz 之間，采用UART 數(shù)據(jù)接口，最大通信距離達(dá)到3 000 m。圖7

圖7 無線通信模塊與主控制器連接方式

為無線通信模塊與主控制器連接方式。

3.2.3 射頻讀卡器

射頻讀卡器采用射頻識(shí)別技術(shù)，簡稱RFID[12]。RFID 是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻非接觸的雙向數(shù)據(jù)通信，利用射頻對(duì)記錄介質(zhì)（電子標(biāo)簽或射頻卡）進(jìn)行讀寫，從而達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的[13]。

在本系統(tǒng)中，標(biāo)簽的作用是給AGV 發(fā)出停止、暫停自啟動(dòng)、調(diào)頭、調(diào)頭并停止等指令，當(dāng)AGV 上的RFID讀卡器掃描到標(biāo)簽并讀取標(biāo)簽上的信息，然后把信息發(fā)送給主控制器，主控制器依據(jù)信息發(fā)送相應(yīng)的指令控制AGV 車體的動(dòng)作。圖8為RFID 射頻識(shí)別原理圖。

圖8 RFID射頻識(shí)別原理圖

無線程控AGV 裝置主要由無線通信模塊經(jīng)綜合站集中上傳至上位機(jī)，與電源管理模塊及程控角度裝置采用比較成熟的CAN 總線通信，通信速率最高可達(dá)1 Mbps，完全能夠滿足實(shí)時(shí)控制及反饋采集。

4 綜合控制軟件平臺(tái)

軟件的開發(fā)采用C#面向?qū)ο缶幊陶Z言，使用SQL Server 2016 數(shù)據(jù)庫，開發(fā)環(huán)境采用微軟公司的Visual Studio 2015[14]。C#是微軟公司開發(fā)的一種語言，是從C 和C++派生出來的一種語言，其具有簡單、安全的特性。它同時(shí)具有C++、Visual Basic、Delphi、Java 等語言的優(yōu)點(diǎn)，可以開發(fā)集聲音、動(dòng)畫、視頻于一體的多媒體或者網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序[15]。綜合數(shù)據(jù)集中解釋軟件采用的是B/S 和C/S 組合架構(gòu)，上傳的各種數(shù)據(jù)結(jié)果儲(chǔ)存在SQL 數(shù)據(jù)庫中，便于數(shù)據(jù)集中管理解釋，如圖9 所示。

圖9 綜合控制數(shù)據(jù)集中解釋軟件平臺(tái)流程圖

整個(gè)平臺(tái)通信模塊是基礎(chǔ)，銜接了其他模塊，測(cè)試管理模塊對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)鏈集中調(diào)控，實(shí)現(xiàn)測(cè)試的智慧化、自動(dòng)化。

5 系統(tǒng)測(cè)試和傳統(tǒng)人工測(cè)試對(duì)比

為了更好地闡述測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，選擇各項(xiàng)性能穩(wěn)定的同一臺(tái)智能終端設(shè)備，分別應(yīng)用系統(tǒng)測(cè)試和傳統(tǒng)人工測(cè)試對(duì)5 項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比結(jié)果見表1[16]。

表1 應(yīng)用系統(tǒng)測(cè)試和傳統(tǒng)人工測(cè)試對(duì)比表

表1 的測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)測(cè)試和傳統(tǒng)人工測(cè)試的結(jié)果基本一致，而且符合技術(shù)要求說明完全可以取代人工測(cè)試，降低由于人為失誤等因素造成的誤檢率。

6 結(jié)束語

該文介紹了無線智能終端測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)及組成，從測(cè)試項(xiàng)的生成、測(cè)試過程的集中調(diào)控，測(cè)試結(jié)果的獲取比對(duì)及測(cè)試報(bào)告的生成與儲(chǔ)存都完全可以在綜合測(cè)試平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前采用的多源采集，數(shù)據(jù)集中解釋的方法在傳統(tǒng)智能終端測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用是極少的。最后用性能穩(wěn)定的移動(dòng)終端對(duì)5 項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)做系統(tǒng)測(cè)試和傳統(tǒng)人工測(cè)試對(duì)比分析，充分說明該測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，極大地節(jié)省了人工投入，縮短了智能終端的測(cè)試周期，提高了測(cè)試效率。