基于LoRa技术的电缆隧道施工通信系统设计

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2106-5042-2295

摘  要：为解决城市电缆隧道建设出现的通信问题，该文首先分析了目前的电缆隧道通信发展现状，随后对主要的通信方式优缺点进行分析。针对隧道建设的通信要求，结合LoRa通信技术的优点，该文提出了一种基于LoRa技术的电缆隧道施工通信解决方案。该方案通过LM400TU实现，可以降低远距离通信时的功耗，以满足隧道施工的长时间作业;可实现广播功能，管理平台管理个人终端;同时增加了定位功能，由上位机显示施工人员的相对位置。

关键词：电缆隧道   LoRa   无线通信   LM400TU

中图分类号：U455                           文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）06（b）-0048-04

Design of Cable Tunnel Construction Communication System Based on LoRa Technology

QIU Jian

（Chongqing Power Transmission and Transformation Engineering Co.， Ltd.， Chongqing， 400039  China）

Abstract： In order to solve the communication problems in urban cable tunnel construction， this paper first analyzes the development status and technical overview of the current cable tunnel communication modes， and then analyzes the advantages and disadvantages of the main communication modes. According to the communication requirements of tunnel construction， combined with the advantages of LoRa communication technology， this paper puts forward a communication solution for cable tunnel construction based on LoRa technology. The scheme is realized by LM400TU， which can reduce the power consumption during long-distance communication， so as to meet the long-time operation of tunnel construction; it can realize broadcasting function， and the management platform can manage personal terminals; at the same time， the positioning function is added to display the relative position of construction personnel by the upper computer.

Key Words： Power cable tunnel; LoRa; Wireless communication; LM400TU

隨着城市的迅速发展，电力需求不断增加，为了提高城市的美观和节省地面资源，大量电缆将会埋入地下，因此需要建设大量电缆隧道。电缆隧道一般建设在地下几米至几十米，可长达2～3 km以上。电缆隧道建设避免了室外高压线缆在极端恶劣天气时发生安全事故的风险，从根本上解决电力线路外力破坏的问题^[1]。隧道施工过程中，施工人员需要随时观察工作面的山体变化、照明线路的破损状况，发现问题及时汇报，才能迅速撤离施工人员及工作机械，保证施工人员的安全。目前，隧道施工人员之间的通信主要依靠对讲机，但距离较远时只能接力式呼叫，给隧道建设带来不便。虽然移动通信网络在不断完善，室外基站数量不断增加，但是隧道、矿井内存在很多的移动通信盲区^[2]，且对讲机信号无法穿透路面，地面人员难以做出及时的安全判断。因此，隧道施工通信需要具备以下功能：远距离传输以满足工作人员的双向通信;实现隧道内与隧道外的通信，一旦出现突发事件，隧道外管理平台及时通知施工人员疏散撤离;实现对施工人员的定位，可以实现和施工人员的准确通信，并保证施工人员的安全。

为了满足以上要求，设计一种适用于电缆隧道施工人员的通信方案，解决隧道施工通信不及时的问题，保证施工人员的安全。

1  隧道通信技术发展现状

电缆隧道的通信方式可以通过多种方式实现，但并没有形成一套完整的、系统的解决方案。不同的应用需要不同的环境、网络、硬件支持，这样会导致通信系统的搭建变得更加繁琐^[3]。目前隧道通信有以下几种方式。

（1）采用布放音频电缆，直接将系统电话延伸到电缆内，不需要单独配置设备，造价低。但该方式受音频电缆传输距离限制，而且只能够进行一对一呼叫，不具备组呼、广播、紧急呼叫等功能。

（2）采用移动网络或无线对讲的方式，具备使用便捷、组网灵活的特点。但这种通信技术存在通信距离受限、功耗大、成本高、无法泛组网等缺点，不能满足隧道通信的需求^[4]。

（3）使用ZigBee进行自组网络通信，能降低通信功耗，但受环境影响大，传输距离短，无法满足隧道建设时的远距离通信。

针对以上隧道通信方式的优缺点，提出一种基于LoRa技术的电缆隧道通信方案。LoRa（Long Range Radio）是一种远距离无线电、线性调频扩频的调制技术^[5-6]，由Semtech公司把这项技术封装到芯片中，包括用于网关和终端的LoRa芯片。该扩频技术是将0和1这种一位数据信号通过多个编码信号表示，而编码信号是具有不同初始频率的线性调频信号，称为码片。该线性调频扩频技术中，主要使用了3个参数：扩频因子（SF）、信道带宽、编码率。一个数据信号由2SF个码片表示，扩频因子影响传输速率、误码率、抗干扰能力。信道带宽指的是频率的范围，而编码率是有效信息占的比例，可以提高接收的有效信噪比^[7]。

LoRa的优势为：可实现远距离通讯，+22 dBm的功率放大器和超过-148 dBm的高灵敏度使得LoRa可以适应复杂的环境;通信频段无需付费;低功耗，满足在隧道施工时的长时间作业。

2  电缆隧道通信系统设计

2.1 系统总体结构

基于LoRa无线技术的电缆隧道通信系统总体结构如图1所示，系统主要由管理平台、个人终端组成。

2.2 LM400TU模块介绍

系统采用致远电子研发的工业级LoRa组网透传模块LM400TU，该模块使用飞思卡尔的KL26系列MCU搭载SX1278收发器，集成度高，便于二次开发。SX1278采用了军用战术通信系统的LoRa调制技术设计。相比传统的窄带调制技术，LM400TU模块采用了扩频调制技术，在抑制同频干扰的性能方面也具有明显优势，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离、抗扰和功耗的弊端。另外，芯片集成了+20dBm 的可调功率放大器，实际按照不同通道最大输出功率+19 dBm到+18 dBm 之间，特别适合应用于远距离传输且对可靠性要求极高的电缆隧道通信。LM400TU模块具有的自组网功能，采用一主多从的星形网络拓扑结构。通过WirelessCfg配置工具实现对模块的永久参数配置，例如工作模式、数据是否包括地址、自组网命令配置等。

2.3 系统各部分功能

2.3.1 管理平臺

管理平台由LM400TU主机、上位机显示、语音采集、语音播放组成。管理平台的LM400TU模块设置为主机模式，作为一个指挥中心接收各从机的数据并通过串口发送到上位机。上位机对所接收到的位置信息进行处理，然后显示施工人员的位置。如果管理人员需要对施工人员下发任务、传达危险信号、与施工人员通信时，可利用VS1053做语音的编码和解码，实现语音的采集及播放功能。语音信息采集之后，与LM400TU进行通讯，利用LoRa调制技术将语音信号传达给各施工人员。如果主机接收到从机的语音信号，主机作为一个广播台，再把这个语音信号通过LoRa发送给各个从机，实现一对多通信的功能。

2.3.2 个人终端

个人终端是施工人员使用的通信工具，个人终端和管理平台的主机类似，利用LM400TU和VS1053实现语音信号的采集和播放。但是在对个人终端配置时，需要把LM400TU配置为单播模式，并开启自组网功能，节点类型设置为从机。当从机入网之后，就可以和主机进行通讯，同时增加显示屏和按键，使得施工人员的通信不局限于语音，还可以通过按键实现文字交流，发送关键数据。

2.4 系统软件设计

软件设计主要包括主机、从机、上位机3部分，包含数据采集处理，传送数据编解码，位置信息计算及显示。LM400TU基于AMetal平台可以快速实现二次开发，采用面向对象的C语言编程方式。

2.4.1 主机程序设计

主机功能是通过上位机指令管理LoRa无线网络、收集从机数据、间断发送数据信号到从机并进行距离计算。流程图如图2所示。

当自组网完成后，每个从机都分配了一个唯一的本地网络地址，把网络地址通过串口发送给上位机进行存储，便于对各个从机进行操作。程序首先需要对串口、IO口等需要用到的外设进行初始化。

施工人员位置计算原理是：通过计算数据信号在一对收发机之间往返的传输时间来测量两点间的距离。把主机发送数据信号和接收端应答信号的时间间隔记为Tt，从机接收主机的数据信号到发出应答信号的时间间隔记为Tr，则单向数据传输时间T可由下式计算得出^[8]。

则施工人员距离管理平台的距离d=c×T，其中c表示电磁波传播速度。

当主机发出数据信号时打开定时器，收到应答信号时关闭定时器，取出主机定时器的时间Tt。当从机接收到主机的数据信号时打开定时器，从机做出的应答信号就是从机定时器的时间Tr，这时主机通过这两个时间数据实现距离的计算。只有当主机处于空闲状态时，才会发送数据信号，当施工人员在进行通信的时候，系统不会发送数据信号。

当主机接收到带有源地址的LoRa信号时，通过搭载的SX1278进行信号的解码，主机将该数据信号进行分析。如果得到的是从机应答信号，系统进入距离计算子程序，将距离计算结果及源地址信息通过串口发送给上位机显示。如果得到的是语音信息，通过LM400TU模块的ANT管脚发送给各个从机，通过转发的形式，实现一对多通信。

2.4.2 从机程序设计

每个从机的程序设计相同，主要功能是实现LoRa无线信号的解码与编码，与VS1053进行通信。在LM400TU从机模块中对主机数据信号进行应答，向主机发送应答时间。无论是主机还是从机，都需要对VS1053进行配置。首先是设置SCI_MODE寄存器的2、12、14位，激活PCM录音。设置SCI_AICTRL0，即设置采样率，其他寄存器如何设置可以参考数据手册。VS的PCM录音需要通过软件加载patch，修复录音BUG。需要注意的是，文件创建之后必须调用f_close，文件才会真正地体现在文件系统中。

2.4.3 上位机程序设计

上位机在VS平台中通过C#实现，功能主要包括显示施工人员的位置、显示每个个人终端的在线状况、显示施工人员发送的文字信息。前面提到，主机会把距离的计算结果及源地址发送给上位机，上位机将得到的数据在上位机界面显示出来。

3  结语

基于LoRa技术的电缆隧道施工通信系统，利用致远电子的LM400TU模块，集成MCU处理器和LoRa信号收发器SX1278，解决了隧道通信传输距离不够，功耗大的问题，同时可以对施工人员进行定位，出现突发事故时及时通知施工人员，确保施工安全。如果隧道不是直线，仅使用一个主机定位不太理想时，可以增加一个测量方向。

参考文献

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[8] 曾一彬.基于LoRa技术的施工隧道人员定位研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2019.

作者简介：邱健（1984—），男，本科，工程师，研究方向为变电站设备诊断与工程管理。