高可靠無線電子雷管通信方案設(shè)計(jì)

摘 要：為解決無線電子雷管組網(wǎng)過程中組網(wǎng)耗時(shí)長(zhǎng)、通信不穩(wěn)定等問題，提出了一種高可靠無線電子雷管通信方案。本方案基于多天線網(wǎng)關(guān)技術(shù)，在無線電子雷管與起爆器之間引入多天線網(wǎng)關(guān)，建立起通信橋梁。多天線網(wǎng)關(guān)具有信號(hào)覆蓋范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，通過網(wǎng)關(guān)的不同信道分別與無線電子雷管和起爆器進(jìn)行通信，提高通信的可靠性。同時(shí)，多天線網(wǎng)關(guān)的高并發(fā)特性讓無線電子雷管可以大規(guī)模同時(shí)接入組網(wǎng)，大大節(jié)約組網(wǎng)時(shí)間，提高組網(wǎng)效率。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本方案在組網(wǎng)耗時(shí)、通信丟包率等方面都顯著優(yōu)于傳統(tǒng)組網(wǎng)方案，有效提高了無線起爆組網(wǎng)的效率和可靠性。本方案有利于推動(dòng)無線電子雷管的發(fā)展與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無線電子雷管；起爆組網(wǎng)；多天線網(wǎng)關(guān)；可靠性；多信道；高并發(fā)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）09-00-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.017

0 引 言

電子雷管又稱數(shù)碼雷管，應(yīng)用電子控制模塊對(duì)起爆過程進(jìn)行控制[1]。對(duì)比其他工業(yè)雷管，電子雷管具有更高的安全性、使用便捷性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)。在國(guó)家政策的大力推動(dòng)下，電子雷管逐步替代其他普通雷管。無線電子雷管是在電子雷管基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。通過無線傳輸模塊與電子雷管相結(jié)合，利用無線起爆器終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子雷管的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程定位，大大方便了施工現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)電子雷管的管理和使用，增強(qiáng)了起爆過程的安全性[2]。

李萍豐等[3]研發(fā)的基于LoRa物聯(lián)遠(yuǎn)程智能起爆系統(tǒng)，區(qū)別于傳統(tǒng)的通信方式，采用LoRa物聯(lián)改善了起爆組網(wǎng)的通信質(zhì)量，促進(jìn)了智能起爆系統(tǒng)的發(fā)展。主流的無線智能起爆系統(tǒng)只側(cè)重于改變通信的協(xié)議，雖然性能有所提升，但受限于無線起爆器對(duì)無線電子雷管直接控制的方式，在實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在問題，如起爆前組網(wǎng)過程耗時(shí)較長(zhǎng)，起爆器終端與各無線電子雷管通信過程不穩(wěn)定等，這些都大大限制了無線電子雷管在實(shí)際工程中的應(yīng)用。如何有效解決這些問題，成為無線電子雷管發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵

所在。

本文設(shè)計(jì)了一種基于多天線網(wǎng)關(guān)技術(shù)的高可靠通信方案，在無線電子雷管起爆組網(wǎng)過程中，通過引入多天線網(wǎng)關(guān)，將其作為起爆器控制終端與無線電子雷管之間通信的橋梁，減少起爆組網(wǎng)耗時(shí)，增強(qiáng)通信的穩(wěn)定性。本方案結(jié)合多天線網(wǎng)關(guān)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新性地將其應(yīng)用于無線電子雷管起爆組網(wǎng)過程，使得無線電子雷管通信具有高可靠性，有利于推動(dòng)無線電子雷管的發(fā)展與應(yīng)用。

1 無線起爆

1.1 無線電子雷管

無線電子雷管由電子雷管部分及無線模塊組成。無線電子雷管的工作原理如圖1所示，無線起爆器終端發(fā)送起爆指令后，由無線透?jìng)髂K接收，然后STM32單片機(jī)進(jìn)入中斷，定時(shí)器延遲相應(yīng)時(shí)間后置低PB5，使VD1截止，K1釋放，其常開觸頭斷開，振蕩升壓電路停止工作，C1和C2迅速放電，最后將無線電子雷管引爆[3]。

1.2 起爆流程及問題

無線電子雷管的起爆有嚴(yán)格的安全起爆流程規(guī)范。電子雷管和起爆器終端在獲得相關(guān)部門授權(quán)后，在指定的爆破區(qū)域內(nèi)才可使用。把無線電子雷管放在指定爆破區(qū)，工作人員在安全距離手持無線起爆器終端，通過賬號(hào)和密碼登錄起爆控制APP，對(duì)無線電子雷管進(jìn)行組網(wǎng)[4]。組網(wǎng)流程如圖2所示，組網(wǎng)完成后下發(fā)充電命令，當(dāng)確認(rèn)全部電子雷管充電完成后，下發(fā)起爆命令完成起爆。

無線起爆組網(wǎng)特點(diǎn)是“一對(duì)多”，如圖3所示，數(shù)據(jù)的處理、指令的下發(fā)全部集中于無線起爆器終端，而無線起爆過程中最為關(guān)鍵的就是組網(wǎng)和指令通信。由于無線起爆器終端需要時(shí)刻更新無線電子雷管的組網(wǎng)狀態(tài)，并且無線電子雷管數(shù)量眾多，每個(gè)電子雷管都需要依次向無線起爆器終端發(fā)送狀態(tài)，通信延遲就會(huì)不斷累積，從而大大拖慢了組網(wǎng)的速度，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。而對(duì)于起爆全過程的指令通信，無線起爆器終端與眾多的電子雷管共同占用一個(gè)信道，容易造成嚴(yán)重的信道擁塞，單一信道通信也使得通信抗干擾能力較弱、可靠性降低。這些問題在無線電子雷管使用過程中是非常普遍且嚴(yán)重的。

2 多天線網(wǎng)關(guān)技術(shù)

2.1 多天線技術(shù)

多天線技術(shù)在提升傳輸效率和傳輸可靠性、改善系統(tǒng)頻譜效率及抑制干擾方面起到了十分重要的作用，因而被廣泛用于無線接入系統(tǒng)[5]。多天線，顧名思義是指天線數(shù)量大于1。多天線技術(shù)具有提升信號(hào)強(qiáng)度、提高信號(hào)穩(wěn)定性、提高頻譜利用率的優(yōu)勢(shì)。其中提升信號(hào)強(qiáng)度主要通過波束賦形，增加半波振子天線數(shù)目，改變天線波束，使天線能量更加集中，并且隨著波束長(zhǎng)度增加，波束的覆蓋范圍更大。信號(hào)不穩(wěn)定的本質(zhì)是信號(hào)衰落，尤其是大幅度衰落的表現(xiàn)形式。減輕衰落影響的有效技術(shù)之一就是對(duì)衰落信號(hào)進(jìn)行分集合并，通過分集來提升信號(hào)穩(wěn)定性，多天線是實(shí)現(xiàn)分集的必要條件。多天線技術(shù)通過空間復(fù)用來提升頻譜利用率[6]。

2.2 多天線網(wǎng)關(guān)

多天線網(wǎng)關(guān)是基于多天線技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，內(nèi)置高性能網(wǎng)絡(luò)處理器和DSP，支持終端設(shè)備接入，具有覆蓋范圍廣、接入用戶數(shù)多、并發(fā)能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于組建廣域覆蓋和大容量的低功耗物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[7]。

多天線網(wǎng)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)與終端之間的上下行數(shù)據(jù)交互，以及與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。它的主要功能包括：多天線多用戶的信號(hào)提取與處理；多波束成形的控制；物理層報(bào)文處理；鏈路層報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)；與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的協(xié)議通信。同時(shí)網(wǎng)關(guān)也具備安全的本地與遠(yuǎn)程管理功能，可以通過 Web或其他方式實(shí)現(xiàn)配置管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障告警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、升級(jí)維護(hù)、復(fù)位重啟等。

多天線網(wǎng)關(guān)的基本組成如圖4所示，主要由網(wǎng)絡(luò)處理模塊、信號(hào)處理模塊、射頻模組、天線以及各種外設(shè)組成。

多天線網(wǎng)關(guān)工作頻率在470～510 MHz范圍內(nèi)（典型值為470 MHz），發(fā)射功率為24 dBm，采用DPFSK調(diào)制方式，通信速率為1.7～7 Kb/s，支持百兆以太網(wǎng)接口，支持

4G/LTE無線接口，有多種并發(fā)模式，如：DR0模式，并發(fā)用戶數(shù)為30個(gè)，通信速率為1.7 Kb/s；DR1模式，并發(fā)用戶數(shù)為16個(gè)，通信速率為3.5 Kb/s等。表1列舉了多天線網(wǎng)關(guān)的部分參數(shù)。

3 高可靠通信方案設(shè)計(jì)

3.1 組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

區(qū)別于傳統(tǒng)的無線電子雷管組網(wǎng)方式，本方案在無線電子雷管與起爆器控制終端間添加多天線網(wǎng)關(guān)作為組網(wǎng)控制的關(guān)鍵橋梁。起爆器終端通過與多天線網(wǎng)關(guān)的通信，間接控制整個(gè)作業(yè)區(qū)域的無線電子雷管；同時(shí)，多天線網(wǎng)關(guān)可以對(duì)同時(shí)發(fā)來的各大規(guī)模無線電子雷管數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并集中反饋給起爆器終端。在傳統(tǒng)無線電子雷管“一對(duì)多”組網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過多天線網(wǎng)關(guān)，在無線電子雷管與起爆器終端之間搭起一座橋梁，構(gòu)建起無線起爆組網(wǎng)“一對(duì)一”新模式，如圖5

所示。

多天線網(wǎng)關(guān)需要提前部署在作業(yè)區(qū)域的合適位置，一般采用抱桿的安裝方式。設(shè)置好網(wǎng)關(guān)參數(shù)，上電即可正常組網(wǎng)使用。當(dāng)組網(wǎng)中無線電子雷管數(shù)量過多、多天線網(wǎng)關(guān)的并發(fā)能力不足時(shí)，可以通過增加多天線網(wǎng)關(guān)的數(shù)量來提高并發(fā)

能力。

3.2 高并發(fā)接入

把多天線網(wǎng)關(guān)部署在施工區(qū)域的合理位置，利用多天線網(wǎng)關(guān)的高并發(fā)特性，同時(shí)接收大量的無線電子雷管組網(wǎng)請(qǐng)求命令，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部進(jìn)行信息數(shù)據(jù)預(yù)處理，再發(fā)送給無線起爆器終端；得到組網(wǎng)許可后，讓工作區(qū)內(nèi)的無線電子雷管同時(shí)組網(wǎng)。

高并發(fā)的優(yōu)勢(shì)在于可以同時(shí)處理大量請(qǐng)求[8]，解決了組網(wǎng)過程中無線電子雷管依次請(qǐng)求而造成組網(wǎng)時(shí)間過長(zhǎng)的問題；同時(shí)，由于多天線網(wǎng)關(guān)內(nèi)置了處理模塊，可以對(duì)收到的多個(gè)請(qǐng)求進(jìn)行預(yù)處理，然后再整理發(fā)送給無線起爆器終端，能夠有效提高指令的處理速度，有利于無線起爆器終端APP的進(jìn)一步優(yōu)化。

多天線網(wǎng)關(guān)在不同模式下并發(fā)用戶數(shù)有差別。對(duì)于無線起爆組網(wǎng)，用戶數(shù)較多，而且無線電子雷管分布的范圍較廣，在保障施工安全和經(jīng)濟(jì)效益的情況下，選擇合適的高并發(fā)模式尤為重要。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn)，多天線網(wǎng)關(guān)應(yīng)選擇并發(fā)用戶數(shù)較多、通信距離較遠(yuǎn)、通信信號(hào)較穩(wěn)定的工作模式。采用DR0模式，并發(fā)用戶數(shù)可達(dá)30個(gè)，通信距離可達(dá)18 km，通信速率可達(dá)1.7 Kb/s，傳輸丟包率遠(yuǎn)小于1%，基本滿足無線起爆組網(wǎng)的各項(xiàng)要求。

3.3 多信道通信

在無線起爆組網(wǎng)過程中，由于作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，信號(hào)易受干擾，容易出現(xiàn)無線起爆器終端與電子雷管通信不暢甚至無法通信的情況。因?yàn)闊o線起爆的特殊性，當(dāng)有任何一發(fā)無線電子雷管無法入網(wǎng)或在起爆前無法通信的情況發(fā)生，起爆過程就必須終止，把故障排除后再重新組網(wǎng)。這樣就大大增加了工作量，使得無線電子雷管的應(yīng)用發(fā)展受到了阻礙。因此，通過多天線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信的中轉(zhuǎn)，采用不同信道進(jìn)行通信，能夠大大提高通信的可靠性和速率。

將無線電子雷管與多天線網(wǎng)關(guān)之間的通信設(shè)置在同一低頻帶。根據(jù)波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系，頻率越大，波長(zhǎng)越小，而波長(zhǎng)的大小直接影響信號(hào)對(duì)物體的繞射能力，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，越有利于信號(hào)穿透障礙物，提高通信成功的可能性[9]。無線起爆組網(wǎng)的特殊作業(yè)環(huán)境，導(dǎo)致信號(hào)容易受到樹木、山體的遮擋，影響無線起爆組網(wǎng)的效率。所以穩(wěn)定的低頻帶通信可以很好地保障無線電子雷管與多天線網(wǎng)關(guān)的通信質(zhì)量，增強(qiáng)信號(hào)的繞射能力，減少通信過程中信號(hào)丟失情況的發(fā)生。同時(shí)，把多天線網(wǎng)關(guān)與無線起爆器終端通信設(shè)置在高頻帶，這樣不僅可以提高通信的速率，而且由于與無線電子雷管通信時(shí)頻帶不同，可以做到信號(hào)互不干擾，大大提高了無線起爆器指令下發(fā)與接收的效率，如圖6所示。

3.4 同頻同步組網(wǎng)

對(duì)于需求量較大的爆破施工區(qū)域，單個(gè)多天線網(wǎng)關(guān)無法做到全覆蓋，需要部署多個(gè)網(wǎng)關(guān)，對(duì)不同網(wǎng)關(guān)設(shè)置相同的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)作業(yè)區(qū)域的無線電子雷管通信。當(dāng)單個(gè)網(wǎng)關(guān)并發(fā)能力不足時(shí)，多個(gè)網(wǎng)關(guān)可以有效緩解單個(gè)網(wǎng)關(guān)高并發(fā)的數(shù)量限制，具有更高的組網(wǎng)效率。多天線網(wǎng)關(guān)支持同頻同步組網(wǎng)，使得其在無線起爆組網(wǎng)中得以廣泛應(yīng)用。

同頻同步組網(wǎng)就是在進(jìn)行所有網(wǎng)關(guān)配置時(shí)設(shè)置相同的頻率，且收發(fā)數(shù)據(jù)同步。在這種情況下，無線電子雷管可以在同頻同步組網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中自由移動(dòng)，隨時(shí)都可以與網(wǎng)關(guān)間進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)。無線起爆器終端也可以在安全位置連接網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍大批量的無線電子雷管的控制。同頻同步組網(wǎng)方式類似于家庭網(wǎng)絡(luò)中的無線Mesh組網(wǎng)[10]，如圖7所示，當(dāng)需要大范圍移動(dòng)電子雷管或施工操作員改變無線起爆終端位置時(shí)，無須重新部署多天線網(wǎng)關(guān)，不用擔(dān)心走出信號(hào)范圍，即可完成起爆作業(yè)。讓無線起爆過程更加方便快捷與

安全。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在室外選取指定大小的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，開展模擬真實(shí)爆破環(huán)境的測(cè)試。測(cè)試時(shí)，操作員在室內(nèi)手持無線起爆終端進(jìn)行組網(wǎng)控制，將無線電子雷管部署在室外樹木間的空地上，以房間模擬真實(shí)的山體遮擋，選擇有樹木遮擋的測(cè)試空地模擬真實(shí)起爆作業(yè)的戶外環(huán)境。

分別測(cè)試常規(guī)組網(wǎng)模式和基于多天線網(wǎng)關(guān)的組網(wǎng)模式，對(duì)于測(cè)試結(jié)果，采用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[11]。測(cè)試部分參數(shù)設(shè)置見表2所列。

在半徑為1 000 m的測(cè)試區(qū)域內(nèi)，將30只無線電子雷管隨機(jī)排布在距離無線起爆器終端800～1 500 m的范圍內(nèi)，進(jìn)行常規(guī)無線起爆組網(wǎng)測(cè)試，記錄通信丟包率、組網(wǎng)延遲等測(cè)試數(shù)據(jù)。另外一組采用基于多天線網(wǎng)關(guān)的組網(wǎng)模式，將網(wǎng)關(guān)設(shè)置好參數(shù)，部署在距離終端500 m的位置，其他測(cè)試條件與第一組保持一致，多次測(cè)試后取平均值作為最終測(cè)試數(shù)據(jù)。在上述測(cè)試基礎(chǔ)上，改變無線電子雷管數(shù)量和多天線網(wǎng)關(guān)數(shù)量，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試。將得到的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，如圖8、圖9所示。

通過測(cè)試數(shù)據(jù)可知，在相同環(huán)境下，基于多天線網(wǎng)關(guān)的組網(wǎng)模式具有更低的組網(wǎng)延遲，通信丟包率更低；在無線電子雷管數(shù)量較少時(shí)，由于單個(gè)網(wǎng)關(guān)并發(fā)能力足以覆蓋所有無線電子雷管，所以單個(gè)網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)模式與多個(gè)網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)模式區(qū)別不大。因此，當(dāng)單個(gè)網(wǎng)關(guān)并發(fā)能力不足時(shí)，通過增加網(wǎng)關(guān)數(shù)量就可以有效緩解。數(shù)據(jù)表明，基于多天線網(wǎng)關(guān)的組網(wǎng)模式大大提高了無線起爆組網(wǎng)的效率和通信的穩(wěn)定性，說明本方案對(duì)于無線起爆組網(wǎng)具有高可靠性。

5 結(jié) 語(yǔ)

相較于傳統(tǒng)的無線電子雷管組網(wǎng)方式，本文提出了一種基于多天線網(wǎng)關(guān)的高可靠無線電子雷管通信方案，利用多天線網(wǎng)關(guān)的高并發(fā)特性，提高了無線電子雷管組網(wǎng)的效率；同時(shí)，多天線網(wǎng)關(guān)作為橋梁，采用不同信道分別與無線電子雷管和無線起爆器進(jìn)行通信，提高了通信的抗干擾性，具有高可靠性。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)?zāi)M測(cè)試，驗(yàn)證了本方案的可行性，測(cè)試效果顯著。本方案為解決無線電子雷管組網(wǎng)通信中存在的問題提供了新思路。

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收稿日期：2023-09-10 修回日期：2023-10-09

基金項(xiàng)目：安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目（GXXT-2022-080）

作者簡(jiǎn)介：張航源（1998—），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)。

盧 燦（1972—），男，研究員，研究方向?yàn)槲⑿⌒碗娮有畔⑾到y(tǒng)。

姜曉道（1993—），男，碩士，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。