張新

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江紹興 312000)

0 引言

礦物開采需要大量物資在礦井中運(yùn)輸，礦井的主要運(yùn)輸方式采用軌道運(yùn)輸，機(jī)車的運(yùn)輸狀態(tài)如何顯得十分重要，它關(guān)系到整個(gè)礦物開采的效益并影響采礦企業(yè)的生產(chǎn)。對(duì)礦井機(jī)車運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)控管理一直以來(lái)采用“信集閉”系統(tǒng)，最早引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的設(shè)備、技術(shù)與理念，在礦物開采的運(yùn)輸中發(fā)揮了積極的作用，隨著智慧礦山的建設(shè)和發(fā)展，特別是自動(dòng)化、信息化的二化融合，礦物開采大量采用了物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，從而有力地推動(dòng)了礦井機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控管理系統(tǒng)的變化和更新[1]。

礦井機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控管理以機(jī)車實(shí)時(shí)定位和信息有效傳輸為前提和基礎(chǔ)，基于機(jī)車定位實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車的監(jiān)控和調(diào)度管理[2-3]。礦井環(huán)境條件相對(duì)地面有其特殊性和局限性，各種性能優(yōu)異的定位技術(shù)(如衛(wèi)星定位)無(wú)法在礦井中應(yīng)用，目前對(duì)礦井機(jī)車定位主要基于傳感器和RFID技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，信息通信主要基于有線或近距離無(wú)線傳輸技術(shù)。筆者針對(duì)礦井機(jī)車運(yùn)輸現(xiàn)狀，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)LoRa遠(yuǎn)程接入通信技術(shù)，采用有源RFID技術(shù)對(duì)礦井機(jī)車定位的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井機(jī)車運(yùn)輸管理服務(wù)，其定位系統(tǒng)簡(jiǎn)單、功耗低、性價(jià)比高、通信距離遠(yuǎn)，并且具有抗干擾、穿透性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性和安全性。

1 系統(tǒng)主要功能和原理

礦井機(jī)車監(jiān)測(cè)與管理基于RFID標(biāo)識(shí)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其主要功能為：①礦井機(jī)車定位。利用RFID標(biāo)簽標(biāo)識(shí)唯一性，實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行位置定位和軌跡顯示。②轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)管理?；谶h(yuǎn)程的LoRa通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)和管理服務(wù)中心的實(shí)時(shí)信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車運(yùn)行調(diào)度。③安全指示、預(yù)警，對(duì)某些區(qū)域或地點(diǎn)設(shè)置安全標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)安全指示與預(yù)警，如限速區(qū)提醒等。④緊急呼救。一旦碰到險(xiǎn)情，可以緊急通過(guò)監(jiān)控終端上報(bào)(或下傳)呼救信息。⑤信息服務(wù),包括機(jī)車軌跡回放、系統(tǒng)配置、遠(yuǎn)程服務(wù)、電子標(biāo)簽管理、報(bào)表處理等[3-4]。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想：利用有源RFID電子標(biāo)簽標(biāo)識(shí)唯一性與標(biāo)簽巷道空間固定位置捆綁，通過(guò)LoRa遠(yuǎn)程通信平臺(tái)解決巷道內(nèi)遠(yuǎn)距離低速可靠傳輸數(shù)據(jù)的辦法獲得機(jī)車運(yùn)行實(shí)時(shí)位置，基于定位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井機(jī)車運(yùn)輸狀態(tài)的監(jiān)控管理[5]。有源RFID標(biāo)識(shí)系統(tǒng)采用二型電子標(biāo)簽(定位標(biāo)簽、安全標(biāo)簽)，其中安全標(biāo)簽用于機(jī)車預(yù)警，定位標(biāo)簽用于機(jī)車定位。礦井巷道空間地理信息已知情況下，合理布設(shè)定位電子標(biāo)簽，可采用巷道頂部或巷道側(cè)面2種布設(shè)方案，等間隔設(shè)置定位標(biāo)簽之間的距離(如5 m或10 m)，間隔距離大小影響定位精度并與RFID讀寫距離有關(guān)。內(nèi)嵌RFID讀寫器的監(jiān)控終端被安裝在機(jī)車車頭，標(biāo)簽與讀寫器之間采用喚醒應(yīng)答模式工作，由監(jiān)控終端內(nèi)嵌的讀寫器定時(shí)主動(dòng)喚醒有源電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽一旦被喚醒后應(yīng)答發(fā)出信息，監(jiān)控終端獲取標(biāo)簽的ID及相關(guān)信息，所有的數(shù)據(jù)信息經(jīng)LoRa遠(yuǎn)程通信平臺(tái)傳輸接入廣域網(wǎng)絡(luò)。利用有源標(biāo)簽ID的唯一性，在標(biāo)簽空間位置確定的情況下，結(jié)合模型計(jì)算出機(jī)車的實(shí)時(shí)位置、速度和方向[6-7]。在巷道內(nèi)，可按需布設(shè)安全標(biāo)簽，如在岔道口設(shè)置安全標(biāo)簽，可做到及時(shí)報(bào)警提醒，記錄機(jī)車在區(qū)間出入時(shí)間，提高對(duì)機(jī)車運(yùn)行的全程監(jiān)管能力。基于LoRa遠(yuǎn)程通信接入平臺(tái)，信號(hào)機(jī)和轉(zhuǎn)轍機(jī)的數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一接入管理服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行機(jī)車的調(diào)度和管理。系統(tǒng)主要組成模塊：LoRa基站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、二型有源電子標(biāo)簽(安全和定位標(biāo)簽)、車載監(jiān)控終端(內(nèi)嵌讀寫器)和管理服務(wù)中心等，機(jī)車定位系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[8]。

圖1 機(jī)車定位系統(tǒng)

2 有源RFID定位系統(tǒng)

2.1 RFID硬件系統(tǒng)

nRF24LE1射頻芯片是一款具有一定控制處理能力的SOC芯片，內(nèi)含增強(qiáng)型8051MCU和nRF24L01+兩個(gè)處理器。由于電子標(biāo)簽功能單一，對(duì)處理器的要求不高，因此由nRF24LE1射頻芯片承擔(dān)電子標(biāo)簽的控制處理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)低電壓監(jiān)測(cè)和RS232通信的控制管理。nRF24L01+是工作在通用 ISM 頻段的無(wú)線收發(fā)芯片，其中心頻率為2.40～2.48 GHz，具有3種不同的通信速率和4檔可調(diào)的發(fā)射功率，室內(nèi)通信達(dá)30 m左右。nRF24L01+通過(guò)調(diào)(跳)頻，具有1對(duì)6通信(接收)能力，通過(guò)軟件設(shè)置可調(diào)整輸出功率、通信頻道和協(xié)議，同時(shí)具有4種工作模式：掉電、待機(jī)、發(fā)射和接收。另外，nRF24L01+還具備 Enhanced Shock BurstTM增強(qiáng)型短突發(fā)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)通信自動(dòng)應(yīng)答和重發(fā)功能[8-9]。

RFID標(biāo)識(shí)系統(tǒng)一般由標(biāo)簽、讀寫器和應(yīng)用系統(tǒng)組成，礦井空間環(huán)境比較復(fù)雜，各種通信干擾多，RFID讀寫器與標(biāo)簽之間的通信距離較遠(yuǎn)，而機(jī)車大多處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此RFID系統(tǒng)的工作頻率選用微波頻段，電子標(biāo)簽采用有源標(biāo)簽[9-10]。有源標(biāo)簽基于nRF24LE1芯片開發(fā)設(shè)計(jì)，具有低電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警和串行通信等主要功能，采用鋰電池供電方式(或市電)，硬件組成有：nRF24LE1芯片模塊、RS232通信模塊、低壓指示模塊和電源模塊，如圖2所示。車載監(jiān)測(cè)終端采用 STM32F103VET6(MCU)芯片作為控制處理器配以nRF24L01+射頻芯片設(shè)計(jì)開發(fā)，主要功能有：LCM顯示、讀寫電子標(biāo)簽、語(yǔ)音提示和通信(遠(yuǎn)程無(wú)線通信等)；基本硬件主要包括：LCM顯示模塊、語(yǔ)音提示模塊、SX1278通信模塊、MCU模塊、nRF24L01+模塊、電源模塊。監(jiān)測(cè)終端基本架構(gòu)如圖3所示[8-9]。

圖2 有源標(biāo)簽?zāi)K

圖3 監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)

2.2 標(biāo)簽讀寫控制

監(jiān)測(cè)終端與有源電子標(biāo)簽采用2種不同的通信模式，安全標(biāo)簽主動(dòng)模式，定位標(biāo)簽被動(dòng)模式，監(jiān)測(cè)終端在不同的通道上與2種有源標(biāo)簽通信，確保相互不干擾，實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測(cè)終端通過(guò)軟件設(shè)定，周期性喚醒定位標(biāo)簽，標(biāo)簽通過(guò)確認(rèn)應(yīng)答的方式，隨確認(rèn)信息把相關(guān)信息一起發(fā)送；安全標(biāo)簽通過(guò)軟件設(shè)定，周期性主動(dòng)發(fā)送信息，從而保證安全指示信息被接收。二型有源標(biāo)簽工作流程如圖4所示，電子標(biāo)簽采用統(tǒng)一的控制軟件，通過(guò)監(jiān)測(cè)硬件開關(guān)判別標(biāo)簽類別。標(biāo)簽上電進(jìn)入初始化，配置各類參數(shù)，測(cè)量電源電壓值，當(dāng)測(cè)得的電壓值小于報(bào)警電壓值時(shí)，點(diǎn)亮報(bào)警燈并報(bào)警，置低電壓報(bào)警寄存器標(biāo)志位，否則清低電壓報(bào)警寄存器標(biāo)志位，報(bào)警結(jié)束[11]。安全標(biāo)簽周期性定時(shí)發(fā)送信息，利用RTC定時(shí)器設(shè)定周期時(shí)長(zhǎng)，安全標(biāo)簽從掉電休眠狀態(tài)周期性被喚醒發(fā)送信息，同時(shí)標(biāo)簽可通過(guò)讀寫器的確認(rèn)應(yīng)答幀獲得相應(yīng)信息交互。定位標(biāo)簽采用被動(dòng)喚醒工作模式，通過(guò)軟件設(shè)定RTC 定時(shí)器被啟動(dòng)，周期性定時(shí)偵聽，當(dāng)偵聽到喚醒指令時(shí)，立即把標(biāo)簽內(nèi)部信息隨應(yīng)答確認(rèn)發(fā)送給監(jiān)測(cè)終端。有源電子標(biāo)簽采用增強(qiáng)性短突發(fā)技術(shù)(Enhanced Shock BurstTM)，裝幀、應(yīng)答和重發(fā)次數(shù)都可被自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，從而減少M(fèi)CU干預(yù)，降低了標(biāo)簽碰撞的幾率[9-11]。

圖4 二型電子標(biāo)簽工作流程

3 基于LoRa的遠(yuǎn)程通信

LoRa是一種新型的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程接入通信技術(shù)，礦井應(yīng)用中具有較明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)為：通信距離遠(yuǎn)、性價(jià)比高、功耗相對(duì)低、抗干擾、穿透能力強(qiáng)等[12]。LoRa遠(yuǎn)程通信平臺(tái)由基于SX1278射頻芯片開發(fā)的內(nèi)嵌在監(jiān)測(cè)終端的通信模塊(通信終端)和基站組成，以基站為中心構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)，礦井通信至少能達(dá)到2 km，通過(guò)設(shè)置若干LoRa通信基站，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道全覆蓋通信。機(jī)車定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信節(jié)點(diǎn)不多，數(shù)據(jù)量小，時(shí)延不敏感，可采用私有通信協(xié)議保障通信安全有效。

LoRa通信基站和通信終端(內(nèi)嵌在機(jī)車監(jiān)測(cè)終端的通信模塊)在硬件結(jié)構(gòu)上基本類同，基站主要組成模塊： MCU控制模塊、遠(yuǎn)程無(wú)線通信模塊、通信接口模塊和系統(tǒng)電源模塊等，系統(tǒng)總體架構(gòu)與機(jī)車監(jiān)測(cè)終端基本相似[12-13]。車載監(jiān)測(cè)終端和通信基站采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組成多對(duì)一的通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)布置通信基站的密度，使得監(jiān)測(cè)終端同時(shí)與多基站通信，可大大提高通信的可靠性和有效性。通信平臺(tái)的SX1278發(fā)送數(shù)據(jù)分2種情況：一是監(jiān)測(cè)終端發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)RFID讀寫模塊獲取標(biāo)簽數(shù)據(jù)后向MCU發(fā)中斷請(qǐng)求，在中斷開放的情況下服務(wù)中斷響應(yīng)，讀取到的標(biāo)簽信息被寫入數(shù)據(jù)緩存區(qū)；二是通信基站發(fā)數(shù)據(jù)，待發(fā)送數(shù)據(jù)主要來(lái)自上層管理服務(wù)中心數(shù)據(jù)。SX1278在MCU控制下發(fā)送數(shù)據(jù)，通常情況下，SX1278處在等待模式，MCU通過(guò)SPI接口把待發(fā)送數(shù)據(jù)寫入SX1278數(shù)據(jù)緩存器，待通信信道處于空閑時(shí)轉(zhuǎn)入發(fā)送數(shù)據(jù)模式，立即發(fā)送數(shù)據(jù)。SX1278具有CAD信道自動(dòng)檢測(cè)能力，等待工作模式下定時(shí)啟動(dòng)CAD信道檢測(cè)，對(duì)前導(dǎo)碼進(jìn)行匹配檢查，當(dāng)前導(dǎo)碼關(guān)聯(lián)計(jì)算成功，接收數(shù)據(jù)信息并發(fā)中斷信號(hào)給MCU，MCU中斷響應(yīng)服務(wù)，完成數(shù)據(jù)的讀取?；竟ぷ髁鞒倘鐖D5所示。礦井設(shè)備較多，各種機(jī)電和通信設(shè)備會(huì)產(chǎn)生種種干擾，無(wú)線通信環(huán)境比較復(fù)雜，要做到有效安全通信，SX1278發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就要進(jìn)行信道監(jiān)測(cè)和避碰處理[12]。SX1278射頻芯片物理層只具有單純發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，有數(shù)據(jù)就發(fā)，容易造成信道堵塞，發(fā)送效率低，為了提高通信效率，需要采用信道竟用機(jī)制來(lái)解決問(wèn)題(如CSMA)。SX1278可采用多種方式實(shí)現(xiàn)信道竟用，通過(guò)對(duì)比分析和實(shí)際測(cè)試證明，利用信道信噪比值來(lái)監(jiān)測(cè)信道狀態(tài)十分有效，當(dāng)信道被監(jiān)測(cè)到碰撞時(shí)，采用隨機(jī)時(shí)間退后機(jī)制來(lái)解決，通常設(shè)定時(shí)間窗口T，計(jì)算退避時(shí)間t=T×隨機(jī)數(shù)，從而減少碰撞幾率[13-14]。

通信協(xié)議是為了保障通信雙方建立有效通信的規(guī)程，采用個(gè)性化設(shè)計(jì)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化與有效通信。礦井機(jī)車定位的數(shù)據(jù)量較小，因此采用簡(jiǎn)化的通信協(xié)議，只定義了3種基本的幀結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)幀(DATA)、應(yīng)答幀(ACK)和廣播幀，幀結(jié)構(gòu)分別見表1、表2所示，其中廣播幀屬于特殊的DATA幀。SX1278屬于低速率通信技術(shù)，空中傳輸時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，不宜單幀通信數(shù)據(jù)量過(guò)大，規(guī)定有效負(fù)載最大為64 Byte[12,14]。由于各種可能的因素，SX1278本身不具備保證數(shù)據(jù)通信有效性的能力，為此，通過(guò)設(shè)計(jì)ACK幀，當(dāng)接收方收到數(shù)據(jù)后回復(fù)ACK幀來(lái)確認(rèn)，對(duì)于廣播幀一般情況下不需回復(fù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)情況下，為了有效通信，需要設(shè)計(jì)發(fā)送數(shù)據(jù)的最長(zhǎng)確認(rèn)時(shí)間T，當(dāng)在T時(shí)間內(nèi)未接收到確認(rèn)幀，被認(rèn)為接收失敗而重發(fā)。通信過(guò)程中，回復(fù)ACK幀不進(jìn)行信道檢測(cè)，SX1278直接回復(fù)ACK幀。

圖5 基站工作流程

表1 DATA幀

表2 ACK幀

4 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試分析

4.1 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

定位的礦井機(jī)車運(yùn)行管理系統(tǒng)軟件采用C/S和B/S相結(jié)合的理念設(shè)計(jì)，主要由5大模塊組成：系統(tǒng)配置、定位和軌跡顯示、安全預(yù)警、信息處理(報(bào)表處理)和信號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)轍機(jī)管理，處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。數(shù)據(jù)庫(kù)采用微軟MS-SQL管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)的各類表有：定位數(shù)據(jù)、標(biāo)簽標(biāo)識(shí)、定位標(biāo)簽、配置參數(shù)、調(diào)度信息和報(bào)表等。整個(gè)應(yīng)用軟件的核心是定位解算和軌跡擬合顯示，重點(diǎn)是基于優(yōu)化算法的運(yùn)輸調(diào)度管理，通過(guò)定位數(shù)據(jù)獲取、計(jì)算、顯示以及事后的機(jī)車運(yùn)輸路徑優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)礦井機(jī)車運(yùn)輸?shù)陌踩咝14-15]。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了測(cè)試基于LoRa遠(yuǎn)程通信的機(jī)車定位效果，在某煤礦開展了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種情況下的通信、定位功能測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)由1臺(tái)機(jī)車監(jiān)控終端、10個(gè)定位標(biāo)簽、1臺(tái)通信基站和1臺(tái)筆記本電腦組成，定位標(biāo)簽采用間隔5 m的方式安裝在礦井頂部固定位置，機(jī)車監(jiān)控終端安置在可運(yùn)動(dòng)的設(shè)備上，調(diào)試好標(biāo)簽與監(jiān)控終端有效讀寫距離不大于5 m，監(jiān)控終端速度不大于5 m/s，配置通信參數(shù)：工作頻率433 MHz，帶寬125 kHz、擴(kuò)頻因子9、編碼率4/6、發(fā)射功率19 dBm。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，監(jiān)控終端以3.5 m/s運(yùn)動(dòng)情況下，通信距離超過(guò)0.65 km后(靜態(tài)下1 km后)，數(shù)據(jù)包接收出現(xiàn)丟包，在1.5 km左右丟包率達(dá)35%(靜態(tài)下2 km后超過(guò)35%)，采用數(shù)據(jù)接收確認(rèn)機(jī)制確保了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。機(jī)車定位精度依標(biāo)簽設(shè)置間隔，靜態(tài)情況下，標(biāo)簽標(biāo)識(shí)定位穩(wěn)定可靠；動(dòng)態(tài)情況下，偶見標(biāo)簽定位丟失現(xiàn)象，丟失率小于5%。綜合上述，基于 LoRa通信的RFID機(jī)車定位可以滿足礦井較大范圍機(jī)車定位數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井機(jī)車運(yùn)行監(jiān)控的實(shí)時(shí)定位[12,15]。

圖6 應(yīng)用系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)的“信集閉”系統(tǒng)是礦井機(jī)車運(yùn)輸管理的主要系統(tǒng)，但是隨著采礦信息化和自動(dòng)化的發(fā)展與融合，礦井機(jī)車管理有了更科學(xué)有效的解決方案，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在采礦領(lǐng)域的應(yīng)用推動(dòng)采礦業(yè)二化融合發(fā)展。采用RFID標(biāo)識(shí)技術(shù)定位礦井機(jī)車是一項(xiàng)簡(jiǎn)約而實(shí)用的技術(shù)，基于nRF24LE1和nRF24L01+射頻芯片設(shè)計(jì)RFID標(biāo)識(shí)讀寫系統(tǒng)，利用LoRa無(wú)線遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)平臺(tái)，構(gòu)建起井下巷道的機(jī)車定位監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)，基于實(shí)時(shí)定位可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井機(jī)車的監(jiān)管和調(diào)度，相比其他的定位系統(tǒng)，具有實(shí)用性高、成本低、可靠性高和可維修性好的特點(diǎn)。