基于LoRa物聯(lián)的遠(yuǎn)程智能起爆系統(tǒng)研發(fā)

李萍豐 張金鏈 徐振洋 張兵兵 楊 飛 李 新

(1.宏大爆破工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510623;2.深圳市憨包民爆云領(lǐng)電子發(fā)展有限公司,廣東 深圳 518000;3.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,遼寧 鞍山 114051)

在5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的引導(dǎo)下，歷經(jīng)了從數(shù)字爆破到智能爆破的逐步發(fā)展過(guò)程?，F(xiàn)階段，在礦山爆破中，爆破起爆系統(tǒng)是生產(chǎn)施工的重要環(huán)節(jié)，其可靠性和安全性關(guān)系到人身安全、財(cái)產(chǎn)損失和爆破效果[1]。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離起爆系統(tǒng)可擺脫傳統(tǒng)起爆器的導(dǎo)線物理連接工作，省去爆破網(wǎng)路連接和檢查環(huán)節(jié)，提高爆破作業(yè)效率，作業(yè)人員進(jìn)入高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的人次減少，有助于實(shí)現(xiàn)爆破作業(yè)場(chǎng)所少人化和本質(zhì)安全。相比采用傳統(tǒng)導(dǎo)線控制的起爆方法具有更大的靈活性、安全性、可靠性、便捷性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外的起爆系統(tǒng)分為有線和無(wú)線兩大類，其中無(wú)線起爆方法有微波起爆、激光起爆、激波管起爆等。闞文星等[3]對(duì)微起爆系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展概況進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)下一代起爆系統(tǒng)提出展望。張波等[4]為解決起爆系統(tǒng)的安全性問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種分離式無(wú)起爆藥點(diǎn)火裝置，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該系統(tǒng)性能可靠。劉慶等[5]利用PIC單片機(jī)與高可靠性的擴(kuò)頻無(wú)線控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出包括無(wú)線遙控器、電子起爆器及配套電容式擊發(fā)針的遙控導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)。習(xí)成獻(xiàn)等[6]設(shè)計(jì)了一種新型起爆控制系統(tǒng)，實(shí)踐證明該系統(tǒng)工作效率、可靠性及安全性滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。尹國(guó)福等[7]設(shè)計(jì)了基于RS485總線的可尋址起爆網(wǎng)路系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)證明系統(tǒng)具備智能化與高安全性優(yōu)勢(shì)。梁車平等[8]基于爆炸箔起爆技術(shù)的高安全性設(shè)計(jì)了同步起爆系統(tǒng)，試驗(yàn)分析表明:起爆的同步性與每組雷管之間等效電阻和等效電感等參數(shù)有關(guān)。王朋等[9]實(shí)現(xiàn)了微型高效沖擊片雷管起爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)踐證明該系統(tǒng)體積大幅度減小、起爆速度快、起爆靈活可控。韓克華等[10]對(duì)3種多點(diǎn)同步起爆系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，結(jié)果表明:基于沖擊片雷管的多點(diǎn)同步起爆系統(tǒng)同步性最優(yōu)。CAI等[11]研究了遠(yuǎn)程無(wú)線發(fā)起網(wǎng)路安全加密技術(shù)以及系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)方法，在保證安全的前提下，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制爆破。MIAO[12]等提出了一種新的對(duì)稱雙線性起爆系統(tǒng)(SBI)來(lái)創(chuàng)造收斂的爆轟波碰撞，不僅避免了材料浪費(fèi)，而且操作簡(jiǎn)單。CHAWLA等[13]為實(shí)現(xiàn)安全爆破，設(shè)計(jì)了一種基于Wi-Fi的無(wú)線爆破系統(tǒng)，該系統(tǒng)可適配多種炸藥，具有良好的實(shí)用性。BRANCH等[14]將LoRa應(yīng)用于地下采礦爆破中，但在視線不佳的情況下該系統(tǒng)信號(hào)遭到嚴(yán)重衰弱，但在一定程度上推動(dòng)了無(wú)線起爆技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)程。

綜合分析可知，現(xiàn)有的起爆系統(tǒng)存在抗干擾能力與可靠性較差、器材笨重、智能化水平不高、價(jià)格昂貴等不足。本研究開(kāi)展了基于LoRa物聯(lián)的無(wú)線遠(yuǎn)程智能起爆系統(tǒng)研發(fā)，重點(diǎn)就無(wú)線遠(yuǎn)程的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和智能遠(yuǎn)程起爆系統(tǒng)的安全控制技術(shù)進(jìn)行探討，以提高礦山起爆系統(tǒng)的智能化操作水平。

1 無(wú)線遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的技術(shù)研究

1.1 工作頻率選定

目前國(guó)際電信聯(lián)盟定義的無(wú)線電頻率中，30～1 000 MHz頻段這一波段是甚高頻(米波)和特高頻(分米波)的一部分[15]。該頻率的主要傳播方式為視距內(nèi)的空間波傳播，以及對(duì)流層散射和電離層散射。對(duì)流層散射在某些場(chǎng)合可以代替無(wú)線電接力系統(tǒng)，傳播距離達(dá)到數(shù)百千米時(shí)可以不使用中繼站，同時(shí)還可具有大容量(多路傳輸)，而低頻波段是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。與高頻波段相比，該頻段的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)低容量系統(tǒng)可以用小尺寸天線。

可見(jiàn)，采用30～1 000 MHz頻段的高頻段應(yīng)用于無(wú)限起爆系統(tǒng)是合適的，不僅容量可以增大，還可以通過(guò)更多的路數(shù)。因此本研究選用該工作頻率開(kāi)展起爆系統(tǒng)研發(fā)。

1.2 信號(hào)調(diào)制方式

由于頻率、相位調(diào)制對(duì)噪聲抑制更好，F(xiàn)SK是當(dāng)今主流通信設(shè)備的首選方案[16]。FSK頻移鍵控法實(shí)現(xiàn)較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好，在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛應(yīng)用。

2FSK可看作是兩個(gè)不同載波頻率的ASK已調(diào)信號(hào)之和。解調(diào)方法有相干法和非相干法。類型有二進(jìn)制移頻鍵控(2FSK)，多進(jìn)制移頻鍵控(MFSK)[17]。FSK信號(hào)調(diào)制方式符合起爆時(shí)所需的信號(hào)要求，本研究采用FSK調(diào)制方式對(duì)起爆信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。

1.3 無(wú)線通信技術(shù)選擇

無(wú)線起爆技術(shù)應(yīng)在兼顧遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還能實(shí)現(xiàn)低功耗且價(jià)格低廉[18]。LoRa物聯(lián)技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗、多節(jié)點(diǎn)、低成本等特性，滿足了無(wú)線起爆技術(shù)的要求[19]。

LoRa在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433、868、915 MHz等。LoRa是基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制，保持了與FSK調(diào)制相同的低功耗特性，顯著擴(kuò)大了通信距離(表1)。

表1 LoRa物聯(lián)與其他無(wú)線通信技術(shù)的區(qū)別Table 1 Difference between LoRa IOT and other wireless techniques

通過(guò)綜合比選，本研究認(rèn)為HM-TRLR-S433 MHz的無(wú)線收發(fā)模塊與起爆系統(tǒng)最匹配。該無(wú)線收發(fā)模塊具有通信距離遠(yuǎn)、抗干擾強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，滿足起爆系統(tǒng)的需求。無(wú)線收發(fā)模塊HM-TRLR-S基本參數(shù)取值:工作頻率 433/470/868/915 MHz (±20 MHz可設(shè)置)，調(diào)制方式LoRa/FSK，發(fā)射功率 2～20 dBm可設(shè)置，接收靈敏度-139 dBm (Max)，傳輸速率1.2～115.2 kbps可設(shè)置，發(fā)射電流 130 mA (+20 dBm)，接收電流 20 mA，待機(jī)電流 2 μA，發(fā)射頻偏 10～50 kHz，接收帶寬 42～166 kHz，輸速率 1 200～115 200 kbps可設(shè)置，數(shù)據(jù)接口 8N1/8E1/8O1 TTL UART (支持RS232或RS485接口)，距離＞5 000 m(LoRa模式、可視距離)，天線阻抗50 Ω，工作溫度-20～+85 ℃，供電方式DC 3.3～5.5 V。模塊電路如圖1所示。

圖1 無(wú)線通信模塊電路Fig.1 Circuits of wireless communication module

2 遠(yuǎn)程智能起爆系統(tǒng)安全控制研究

2.1 智能起爆器安全控制

智能起爆控制器主要實(shí)現(xiàn)的功能有:與手機(jī)端、信號(hào)中繼器或無(wú)線智能起爆模塊雙向通信、定位、存儲(chǔ)資料，與手機(jī)端APP“爆破助手”實(shí)現(xiàn)雙向資料的傳輸?shù)裙δ堋?/p>

智能起爆控制器能夠向智能無(wú)線起爆模塊發(fā)送起爆命令，同時(shí)解決數(shù)碼雷管因起爆能量不足而造成的雷管無(wú)法起爆、導(dǎo)致盲炮產(chǎn)生的安全隱患等問(wèn)題。其次，智能起爆控制器自帶GPS定位功能，可通過(guò)手機(jī)端“爆破助手”APP確認(rèn)該控制器是否在有關(guān)部門進(jìn)行注冊(cè)、是否在允許的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行爆破作業(yè)。起爆系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注冊(cè)機(jī)制，保證了起爆網(wǎng)路的排他性和封閉性[20]。

智能起爆控制器中GPS模塊采用Air530Z模塊。智能起爆控制器的Air530Z模塊能實(shí)時(shí)獲取起爆控制器的GPS坐標(biāo)，滿足準(zhǔn)爆區(qū)對(duì)數(shù)碼電子雷管的管理要求，實(shí)現(xiàn)爆破區(qū)域管控[21]。

2.2 數(shù)碼電子雷管安全控制

數(shù)碼電子雷管是現(xiàn)代電子技術(shù)、信息技術(shù)與傳統(tǒng)雷管技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，采用集成芯片控制技術(shù)、加密技術(shù)以及電子精密延期技術(shù)[22]，有助于提高整個(gè)起爆系統(tǒng)的安全性。數(shù)碼電子雷管采用銥缽起爆系統(tǒng)，主要由數(shù)碼電子雷管、銥缽表、銥缽起爆器等設(shè)備組成，其延時(shí)范圍為0～15 000 ms，可在此范圍內(nèi)任意設(shè)定，誤差小于1 ms。數(shù)碼電子雷管工作原理圖2所示，起爆器發(fā)送起爆指令后由Zigbee無(wú)線透?jìng)髂K接收，然后stm32單片機(jī)進(jìn)入中斷，定時(shí)器延遲10 ms后置低PB5，使VD1截止，K1釋放，其常開(kāi)觸頭斷開(kāi)，振蕩升壓電路停止工作，C1和C2迅速放電，將數(shù)碼電子雷管引爆。

圖2 數(shù)碼電子雷管工作原理Fig.2 Working principle of digital electronic detonators

數(shù)碼電子雷管供電電路包括穩(wěn)壓電路(圖3(a))和充電電路(圖3(b))，穩(wěn)壓電路的輸入端與供電電池連接，充電電路與供電電池連接。穩(wěn)壓電路包括穩(wěn)壓芯片，穩(wěn)壓芯片的輸入端與供電電池連接，穩(wěn)壓芯片的輸出端與主控芯片的第8引腳和無(wú)線通信芯片的第1引腳連接。充電電路包括充電連接端口和充電管理芯片，充電連接端口用于連接外部供電接口，充電管理芯片的輸出端與供電電池連接。

圖3 升壓電路與供電電路原理Fig.3 Principal of boost circuit and power supply circuit

通過(guò)設(shè)置供電電路為主控電路和無(wú)線通信電路供電，并設(shè)置升壓電路保證MBus通信控制電路和MBus驅(qū)動(dòng)電路工作。MBus驅(qū)動(dòng)電路與電子雷管連接后，電子雷管的信息經(jīng)MBus驅(qū)動(dòng)電路后發(fā)送至智能無(wú)線起爆模塊主控電路，使智能無(wú)線起爆模塊的主控電路通過(guò)無(wú)線通信電路將電子雷管的信息發(fā)送至智能起爆控制器。在智能起爆控制器發(fā)送起爆信號(hào)時(shí)，通過(guò)無(wú)線通信電路接收，并在MBus通信控制電路控制下，經(jīng)MBus驅(qū)動(dòng)電路將起爆信號(hào)發(fā)送至數(shù)碼電子雷管，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)線起爆，從而滿足無(wú)線起爆的使用需求，具有極高的實(shí)用性。

2.3 智能起爆系統(tǒng)應(yīng)用中的安全控制

無(wú)線遠(yuǎn)程智能起爆系統(tǒng)應(yīng)用中的安全措施為:① 智能起爆控制器、智能起爆模塊和數(shù)碼電子雷管在有關(guān)部門授權(quán)下、在允許爆破的區(qū)域內(nèi)方可使用;② 智能起爆控制器在獲得組網(wǎng)密碼后可完成起爆前準(zhǔn)備;③ 智能起爆控制器同時(shí)按下“B”鍵和“H”鍵后，可實(shí)現(xiàn)控制起爆(圖4)。

圖4 智能起爆控制器Fig.4 Intelligent initiation controller

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)前準(zhǔn)備主要包括數(shù)碼電子雷管、智能無(wú)線起爆模塊、智能起爆控制器、信號(hào)中繼器，如圖5至圖8所示。

圖5 數(shù)碼電子雷管Fig.5 Electronic detonator

圖6 無(wú)線起爆裝置Fig.6 Wireless detonator

圖7 智能無(wú)線起爆模塊Fig.7 Intelligent initiation modules

圖8 系統(tǒng)整體組成Fig.8 Overall system composition

3.2 試驗(yàn)流程

智能爆材在投入使用前，需要對(duì)其安全性進(jìn)行試驗(yàn)[23]，確保通信信號(hào)在智能起爆系統(tǒng)內(nèi)的暢通性，保證起爆控制器與起爆模塊的發(fā)送、反饋信號(hào)得以準(zhǔn)確表達(dá)。試驗(yàn)流程包括數(shù)碼電子雷管注冊(cè)、授權(quán)及無(wú)線智能起爆模塊的檢測(cè)工作，連接后的智能無(wú)線起爆系統(tǒng)還需要依次進(jìn)行雙向通信信號(hào)、注入延期時(shí)間、組網(wǎng)及起爆4項(xiàng)操作步驟[23]，保證每項(xiàng)操作與結(jié)果的有效性，試驗(yàn)過(guò)程中起爆器對(duì)應(yīng)的操作界面如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)過(guò)程Fig.9 Test process

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)礦山以生產(chǎn)砂石骨料為主，礦區(qū)海拔1 622～1 744 m，相對(duì)高差約122 m。開(kāi)采方式為山坡型露天開(kāi)采、公路開(kāi)拓、中深孔爆破和臺(tái)階式開(kāi)采。本研究對(duì)所研發(fā)的無(wú)線智能遠(yuǎn)程起爆系統(tǒng)進(jìn)行距離測(cè)試、抗干擾測(cè)試、地形測(cè)試和可靠性測(cè)試，檢驗(yàn)無(wú)線智能遠(yuǎn)程起爆系統(tǒng)的實(shí)用性(圖10)。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.10 Field test

4.1 距離試驗(yàn)

通過(guò)距離試驗(yàn)分析無(wú)線遠(yuǎn)程智能起爆系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離情況下能否實(shí)現(xiàn)電子雷管的成功起爆。距離測(cè)試內(nèi)容為:數(shù)碼電子雷管與現(xiàn)場(chǎng)藥包引線連接，無(wú)線智能起爆模塊與數(shù)碼電子雷管連接，無(wú)線智能起爆模塊與智能起爆控制器距離分別為200、500、1 000 m，兩者位于同一高程的開(kāi)闊地，試驗(yàn)人員發(fā)送起爆指令，檢驗(yàn)數(shù)碼電子雷管是否發(fā)生準(zhǔn)確起爆。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 距離試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of distance test results

由表2可知:智能起爆控制器與無(wú)線智能起爆模塊在一定距離的開(kāi)闊地形上，距離分別為200、500、1 000 m時(shí)，雙向通信信號(hào)、延期時(shí)間、組網(wǎng)、起爆均可正常工作。經(jīng)過(guò)重復(fù)試驗(yàn)證明:該系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離情況下依舊能保持高穩(wěn)定性，滿足了實(shí)際需求。

4.2 地形試驗(yàn)

通過(guò)地形試驗(yàn)分析智能起爆控制器在特殊地形環(huán)境中能否準(zhǔn)確起爆數(shù)碼電子雷管。地形測(cè)試內(nèi)容為:數(shù)碼電子雷管與現(xiàn)場(chǎng)藥包引線連接，無(wú)線智能起爆模塊與數(shù)碼電子雷管相連，智能起爆控制器與無(wú)線智能起爆模塊之間的水平距離為200 m，但兩者之間的高差分別為50 m、100 m，且在山谷地形內(nèi)，測(cè)試智能起爆控制器能否準(zhǔn)確起爆數(shù)碼電子雷管。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知:山谷地形、高差分別為50 m、100 m的地形試驗(yàn)中，智能起爆控制器能夠準(zhǔn)確起爆數(shù)碼電子雷管，多次試驗(yàn)表明，智能無(wú)線起爆系統(tǒng)測(cè)試效果滿足實(shí)際工作需求。

表3 地形試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of topographic test results

4.3 系統(tǒng)抗干擾試驗(yàn)

為進(jìn)一步分析外界因素對(duì)無(wú)線智能遠(yuǎn)程起爆系統(tǒng)正常作業(yè)的影響，開(kāi)展了系統(tǒng)抗干擾試驗(yàn)，以便根據(jù)影響程度提出應(yīng)對(duì)措施，消除或減弱干擾因素產(chǎn)生的影響。干擾測(cè)試內(nèi)容包括:① 電磁干擾方面，采用手機(jī)及對(duì)講機(jī)置于無(wú)線智能起爆模塊所在位置形成干擾源;② 振動(dòng)干擾方面，試驗(yàn)前檢查車輛及采礦機(jī)械運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)設(shè)備的影響;③ 雜散電流干擾方面，檢查現(xiàn)場(chǎng)通電設(shè)備(車載充電、電源線路、高壓線路、強(qiáng)力電焊機(jī)等)對(duì)系統(tǒng)的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 干擾試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of interference test results

由表4可知:電磁干擾、雜散電流干擾及試驗(yàn)前的振動(dòng)干擾對(duì)系統(tǒng)本身不造成影響，在振動(dòng)干擾測(cè)試中，試驗(yàn)前的車輛/重車輛的工作振動(dòng)對(duì)智能無(wú)線起爆模塊不構(gòu)成影響;試驗(yàn)起爆結(jié)束，智能無(wú)線起爆模塊的正常率超過(guò)90%，振動(dòng)干擾對(duì)系統(tǒng)的影響滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步說(shuō)明本研究設(shè)計(jì)的智能無(wú)線起爆模塊穩(wěn)定性較好，滿足抗干擾影響的設(shè)計(jì)要求。

4.4 系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)

智能無(wú)線起爆系統(tǒng)運(yùn)行中的可靠性主要是指系統(tǒng)起爆的有效性，還包括該系統(tǒng)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。為對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行測(cè)試，選擇了距離100 m與200 m，山坡、高差兩種地形及5、10臺(tái)的2 000 W電焊機(jī)設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，每種相同的干擾條件重復(fù)試驗(yàn)20次，檢查無(wú)線遠(yuǎn)程起爆系統(tǒng)是否能準(zhǔn)確起爆雷管，驗(yàn)證起爆系統(tǒng)的可靠程度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知:在所有的條件中，系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了正常起爆，在各組的20次試驗(yàn)中，起爆率達(dá)100%，說(shuō)明該系統(tǒng)具有強(qiáng)抗干擾、高穩(wěn)定、遠(yuǎn)距離、安全可靠等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能滿足現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)際需求。

表5 可靠性試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistical results of reliability test

5 結(jié) 論

(1) 基于LoRa物聯(lián)的無(wú)線遠(yuǎn)程智能爆破系統(tǒng)選用工作頻率433 MHz、通信距離＞5 000 m(可視距離)、調(diào)制方式FSK的LoRa擴(kuò)頻傳輸技術(shù)，具有通信距離遠(yuǎn)、抗干擾強(qiáng)、穩(wěn)定性好、智能化水平高、功耗低和經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。

(2) 通過(guò)距離、地形、干擾測(cè)試及可靠性測(cè)試，選擇200、500、1 000 m的距離、山谷地形以及高差分別為50 m和100 m的地形，測(cè)試了系統(tǒng)對(duì)電磁和振動(dòng)的抗干擾能力。試驗(yàn)結(jié)果反映出爆破系統(tǒng)仍能處于正常工作狀態(tài)，證明該系統(tǒng)具備強(qiáng)抗干擾、高穩(wěn)定、安全可靠等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(3)遠(yuǎn)程智能起爆系統(tǒng)的研制，克服了傳統(tǒng)起爆能量不足及距離的不足，可為露天礦山爆破施工的智能化作業(yè)提供支持。