基于LoRa技术的煤矿作业环境实时监测系统设计

张 新

(绍兴职业技术学院信息工程学院,浙江 绍兴 312000)

0 引言

20世纪60年代，国外开始研发煤矿作业环境安全监控(监测)系统，至今发展了四代，技术较为成熟。我国从20世纪80年代开始，先后从波兰、美国和德国引进多型产品，如DAN6400、TF200等，并通过对引进产品的消化吸收，开发出了KJ系列早期产品。20世纪90年代后，我国紧跟国外的发展，相继研制了较为先进的KJ95和KJ2000等系统[1]。随着信息技术的快速发展，特别是近十年来物联网技术的异军突起，为远程环境监测系统的性能提升提供了技术基础。LoRa技术作为一种低功耗远距离物联网通信技术，已在国内不少领域得到研发和应用。根据煤矿生产作业的特点，以LoRa技术为基础的煤矿作业环境监测系统，采用云网端为系统架构，灵活配置传感器，对煤矿作业环境的多类参数实时监测，可实现快速上传、分析处理、决策反馈和临界预警等功能，具有适用性好、监测范围广、安装配置简单、维护成本低的优势。

1 系统总体设计

1.1 设计思想

由煤矿作业环境分析可知，矿井环境参数主要涉及粉尘、甲烷、氧气、风量与负压、井巷硐室和工作面温度、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫等。这些环境参数的变化是导致煤矿事故的主要原因。因此，对环境参数的实时监测和控制是做好煤矿安全工作的前提和关键[1-2]。基于LoRa技术的环境监测系统采用最新物联网远程通信技术，通过灵活配置多型传感器，实时对煤矿作业环境参数进行测量。经前置终端初步处理，并由LoRa远程无线传输，各种参数汇聚入LoRa基站(网关)，通过网络服务器最终进入云服务信息处理中心，实现对煤矿作业环境现状的分析、处理与管控。处理中心依据专家系统的评判和决策，可以向管理人员发出预警提示，及时对煤矿作业区发出控制指令来调节煤矿作业环境。移动服务系统实时为用户推送相关信息，供其查阅和处理。

1.2 系统基本架构

煤矿作业环境监测系统以LoRa技术为基础，采用云网端为网络架构，构建四层应用体系，实现环境参数和决策控制信息的双向实时通信。整个系统由四部分组成：现场环境感知和执行、远程信息传输、网络接入信息服务和云服务信息处理。现场环境感知和执行是整个系统的信息获取源和环境调控机构，由两种不同任务类型的监控终端(感知终端和执行终端)组成。感知终端解决环境参数的实时获取，可以具有多种不同性质的传感器，依据实际需要灵活配置传感器种类[3]。执行终端执行由云服务信息处理中心下达的控制指令，一般向具体的设备提供开关信号，如打开通风机、警铃等。远程信息传输主要是由基站和监控终端组成远程通信网，完成煤矿作业环境的信息双向传输，是监测系统现场信息传输的通信信道。基站可以通过RS-232(或WiFi)等多种方式与网络服务器通信(可经WiFi直接接入广域网)，实现监测网络的广域网接入。通过多种途径的广域网对接云服务平台，所有的环境状态参数统一存储在云服务信息处理中心。经专家系统的评判和决策，产生的各类数据可以完成控制信息的发送和预警信息的提示。移动终端可通过移动互联网查询各类数据。监测系统架构如图1所示。

图1 监测系统架构图Fig.1 Structure of monitoring system

2 硬件平台设计

2.1 监控终端

监控终端包括感知终端和执行终端，均以基本的LoRa终端为基础，感知终端采集环境参数信息；而执行终端接受信息处理中心的指令，控制环境调控设备工作。LoRa终端由微控制器(microcontroller unit，MCU)、传感器模块、SX1278通信模块和电源模块组成，其模块结构如图2所示。

图2 LoRa终端模块结构图Fig.2 Structure of LoRa terminal module

传感器模块可灵活选择，把多达六种不同类型传感器通过多合一变送器与MCU双向通信。多合一变送器把弱电信号转变成标准的电压信号供MCU采集，实现MCU对多路传感器感知数据的采集和管理。这种方案的感知终端具有较好的灵活性和适用性。传感器模块是监测系统环境数据采集的基础。煤矿生产作业环境需要采集的参数种类比较多。由于采用了多合一变送器技术，单一感知终端可以同时对六类参数进行采集，具有较好的配置灵活性，大大提高了设备的利用效率。

通信模块采用了Semtech公司生产的、具有优良远程通信能力的SX1278射频处理器。MCU与SX1278通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)总线进行通信，包括设置参数和读写先进先出(first input first output,FIFO)。SX1278可以通过6根连接线DIO0～DIO5中断MCU，完成异步事件处理。为判断接收和发送数据包是否超时，MCU需要设置TIMER。该资源LoRa不需要，仅为MCU所用。

电源模块为LoRa终端内其他模块提供电源，可以采用两种供电方式。目前，采用高能量电池供电。该方式由LM2596和LM7805组成一个稳压电路，可以提供3.3 V和5 V两种电压。由于采用了低功耗全系统设计，因此，监控终端在电池方式供电下可以长时间地稳定工作[4]。

2.2 基站(网关)

基站和监测终端构成星形网络，基站由MCU、SX1278通信模块、通信接口(WiFi、RS-232)模块和电源模块组成。基站模块结构如图3所示。

图3 基站模块结构图Fig.3 Structure of base station module

基站可以通过两种方式把传感器采集数据上传到云服务处理中心。一种是通过RS-232串行通信方式接入网络服务器，另一种是通过WiFi无线网络直接接入广域网，或通过网络服务器接入广域网。基站MCU利用UART接口与串口模块、WiFi模块通信，按需选择了由上海庆科科技有限公司研发的高速串口WiFi模块EMW3162。在设计串行通信RS-232时，由于外部通信接口与MCU电平不一致的原因，需要进行接口电平转换，采用SP3232实现MCU的TTL电平与外部通信接口电平的转换。电源模块是保证基站正常运转的前提。由于基站各模块耗电量较大，更适合采用工业电。因此，采用了美国半导体公司生产的、最大电流为1 A的稳压电路LM2575D2T-3.3R4G。

基站(网关)是整个数据通信的关键节点。基站(网关)处理软件包括控制主程序、通信接口程序、组网与数据转发程序等。基站(网关)工作的主流程主要依靠标志信息来进行处理状态转换，外围设备通过中断来请求，触发服务程序来处理相关事务。如接收串口数据，一旦有数据发送进来，就会产生中断，由中断服务程序接收数据处理[5]。基站(网关)工作流程如图4所示。

图4 基站(网关)工作流程图Fig.4 Flow chart of base station(Gateway)

3 关键技术

监控系统主要采集环境参数。环境参数的数据量不大，采样频率不高、实时性不强。因此，采用个性化设计的私有通信协议，实现监控终端与基站之间的双向通信。

3.1 低功耗设计

为了降低功耗，系统设计采用了低功耗设计理念，硬件平台以两种具有低功耗模式的处理器为基础。MCU采用意法半导体公司生产的功能强大STM32F103系列产品，其内核是Cortex-M3架构的微处理器，支持睡眠、停止和等待三种低功耗工作模式，是一种低功耗系统设计的理想MCU。SX1278采用扩频调制通信、信道检测(channel activity detection，CAD)和自适应数据速率(adaptive data rate，ADR)技术，具有抗干扰能力强、接收灵敏度高、低工作电流、发射功率可调、远距离传输的特点，支持睡眠、CAD和等待三种低功耗工作模式[6]。监测终端的低功耗除考虑硬件设计外，更重要的是实现软件控制。软件控制从两方面考虑：一是控制传感器(执行)组件的供电模式，只有在定时采集感知信息时才让传感器组件供电工作；二是定时被唤醒对感知信息采集、发送和数据接收。监测终端大部分情况下都处于等待和睡眠等低功耗状态，从而大大降低了平均工作电流[7]。

3.2 信道检测与避碰

为了保证监控系统无线通信有效工作，需要解决无线信道竞争问题[8]。对于SX1278来说，有两种解决方案：一是利用SX1278跳频通信技术，通过不同频率的跳变来解决信道的冲突恶化；二是同频率下信道检测和避让办法。本系统采用第二种方案来实现信道竞争。

SX1278具有获得无线信号信号强度(received signal strength indication，RSSI)、信噪比(signal-noise ratio，SNR)值和CAD功能，它们都具备对无线信号进行识别的能力。RSSI表示接收机频段内测得无线信号的强度值，由于SX1278工作在免费频段，因此仅检测RSSI是无法唯一准确识别的。CAD信道检测是一种LoRa前导码检测方法，主要用于SX128的接收数据前的检测。通过分析研究，利用SNR值是检测信道的一种有效办法。

SX1278的RegPktSnrValu寄存器储存着接收信号的信噪比值，MCU通过SPI接口可以获得SNR值，如果SNR在-20～+5 dB之间，则判定信道忙，否则信道空闲。一旦信道空闲，SX1278就进入发送工作模式完成数据发送。当信道忙时，需要解决碰撞避让问题[8-9]。碰撞避让采用随机时间退后再检测的办法。首先，要确定一个退避时间窗口值CW(如CW=500 ms)。CW可以依据信道竟争状态随机调整，当竟争恶化时增大，CW反而减小。在实际设计时一般采用随机函数rand( )产生0～1之间的随机数加权CW来获得退避时间。由于rand( )是一个伪随机函数，用函数srand[(unsigned)time( NULL )]产生随机数种子，从而保证各终端rand( )生成的随机数有效错位。

3.3 通信协议设计

SX1278实现了物理层无线数据收发功能，规定了数据帧格式。数据帧由前导码、可选报头、有效负载和CRC组成。其中，可选报头在显式情况下才有。SX1278本身不能保证数据通信是否有效，因此必须通过设计上层通信协议，才能保障有效数据通信。为此，设计了DATA数据帧(含广播帧)和确认符(acknowledgement，ACK)帧。DATA帧包括帧类型、帧序号、目的地址、源地址、有效负载和FCS共六个字段。规定DATA 数据帧最大字节数为5+64=69，其中有效负载最大为64 B。DATA 数据帧类型由字节低四位表示，0010表示为普通数据帧，帧序号记录帧序号，目的地址和源地址分别表示接收与发送设备的地址，有效负载为上层交付的数据包，帧校验序列(frame check sequence，FCS)为帧校验[9]。当DATA帧中的帧类型低四位为0111时，DATA帧转化为广播帧，此时目的地址设定为0。DATA帧结构如表1所示。

表1 DATA帧结构Tab.1 DATA frame structure

ACK帧确认数据是否接收。监控终端发送数据后，在给定时间内如没有收到确认帧，则数据重发。ACK帧包括帧类型、目的地址和FCS。其中，帧类型低四位为0011。确认帧不需回复，SX1278一旦接收到数据帧，不进行信道检测，立即回复确认帧。ACK帧结构如表2所示。

表2 ACK帧结构Tab.2 ACK frame structure

3.4 数据接收与发送

监测系统通信网络主要承担感知信息和控制信息的远程双向传输。监测终端在MCU定时控制下进行。发送信息：一是发送感知信息；二是发送ACK数据。通过设定定时自我唤醒，MCU控制传感器供电工作，经模数转换，采集感知信息；控制 SX1278进入等待状态，把相关信息写入SX1278的先进先出缓存器；起动基于SNA信噪比的信道检测。信道空闲时，控制SX1278进入发送数据状态，完成数据发送后转入其他状态。监测终端在两种情况下接收信息：一是接收ACK数据；二是接收控制信息。SX1278采用CAD信道检测来保证数据的安全接收，通过设置SX1278参数，被定时唤醒进入CAD信道检测模式。如在规定时间里没有检测到前导码(或前导码关联不成功)，转入等待模式；一旦检测到前导码，接收前导码并关联成功后，进入数据接收模式，完成数据接收。

4 应用系统设计

监测系统采集到的所有数据最终都要送入云服务处理中心来存储、分析、处理和决策。云服务信息处理中心是监测系统的灵魂，承担着网络通信、数据库管理、数据分析与决策、报表生成与查询、移动应用服务和人机界面与管理等功能。目前很多系统采用公用云平台来开发应用系统，但这种方法的适用性和信息保密性差，存在一定的安全风险，对一些个性化应用也缺少支持。因此，监测系统采用了自主开发的方式。云服务处理应用系统由系统配置与管理、感知数据存储与处理、专家系统、报表信息处理和网络通信与远程服务这五大模块组成。

云服务处理软件模块结构[7-10]如图5所示。

图5 云服务处理软件模块结构图Fig.5 Structure of cloud service processing software module

5 测试与分析

在某一地下废弃煤矿布设了一个监测系统，由一个基站、两个感知终端和一个执行终端组成作业区前端远程通信系统。基站通过RS-232与网络服务器通信接入广域网(也可直接通过WiFi接入)，传感器选用了温湿度和CO三类传感器，执行终端通过继电器控制灯，LoRa射频采用477 MHz,发射功率为20 dBm。为了验证远程数据收发情况，其中一个感知终端采用串口调试工具向终端输送数据。通过调整传输距离，每次发数据包200个，通信测试结果如表3所示。

表3 通信测试结果Tab.3 Results of communication test

当通信距离超过2.5 km，丢包率明显增加到了40%。采用通信应用层确认机制，保证了数据的可靠传输。传感器实测数据表明，LoRa远程通信是可靠的。虽然通信距离增加后通信效率明显有所下降，但完全可以满足煤矿作业环境实时监测的需要[11]。

6 结束语

基于LoRa技术的环境监测系统，充分利用了LoRa扩频调制带来的远程组网通信能力，为煤矿作业环境远程监测、保障煤矿安全提供了一种很好的技术解决方案。由于LoRa组网设备具有单跳通信距离远、低功耗、大范围、低成本等优点，其适用性、可靠性、安装性和维修性都有了不同程度的提高。LoRa技术本身是一种新技术。本研究采用私有通信协议，仅发挥了LoRa远程通信能力的优势，还没有充分利用LoRaWAN协议栈带来的技术特长。LoRaWAN协议栈开发应用相对较难，有待于进一步研究。