物聯網遠程接入通信的RFID礦井機車定位系統*

張新

(紹興職業技術學院 浙江紹興 312000)

0 引言

礦物開采需要大量物資在礦井中運輸，礦井的主要運輸方式采用軌道運輸，機車的運輸狀態如何顯得十分重要，它關系到整個礦物開采的效益并影響采礦企業的生產。對礦井機車運輸的監控管理一直以來采用“信集閉”系統，最早引進國外先進的設備、技術與理念，在礦物開采的運輸中發揮了積極的作用，隨著智慧礦山的建設和發展，特別是自動化、信息化的二化融合，礦物開采大量采用了物聯網新技術，從而有力地推動了礦井機車運輸監控管理系統的變化和更新[1]。

礦井機車運輸監控管理以機車實時定位和信息有效傳輸為前提和基礎，基于機車定位實現對機車的監控和調度管理[2-3]。礦井環境條件相對地面有其特殊性和局限性，各種性能優異的定位技術(如衛星定位)無法在礦井中應用，目前對礦井機車定位主要基于傳感器和RFID技術來實現，信息通信主要基于有線或近距離無線傳輸技術。筆者針對礦井機車運輸現狀，提出了基于物聯網LoRa遠程接入通信技術，采用有源RFID技術對礦井機車定位的技術方案，實現對礦井機車運輸管理服務，其定位系統簡單、功耗低、性價比高、通信距離遠，并且具有抗干擾、穿透性強的優勢，大大提高了系統的可靠性、實用性和安全性。

1 系統主要功能和原理

礦井機車監測與管理基于RFID標識定位技術實現，其主要功能為：①礦井機車定位。利用RFID標簽標識唯一性，實現機車運行位置定位和軌跡顯示。②轉轍機、信號機管理。基于遠程的LoRa通信平臺，實現轉轍機、信號機和管理服務中心的實時信息交互，實現對機車運行調度。③安全指示、預警，對某些區域或地點設置安全標簽，實現實時安全指示與預警，如限速區提醒等。④緊急呼救。一旦碰到險情，可以緊急通過監控終端上報(或下傳)呼救信息。⑤信息服務,包括機車軌跡回放、系統配置、遠程服務、電子標簽管理、報表處理等[3-4]。

系統總體設計思想：利用有源RFID電子標簽標識唯一性與標簽巷道空間固定位置捆綁，通過LoRa遠程通信平臺解決巷道內遠距離低速可靠傳輸數據的辦法獲得機車運行實時位置，基于定位數據實現對礦井機車運輸狀態的監控管理[5]。有源RFID標識系統采用二型電子標簽(定位標簽、安全標簽)，其中安全標簽用于機車預警，定位標簽用于機車定位。礦井巷道空間地理信息已知情況下，合理布設定位電子標簽，可采用巷道頂部或巷道側面2種布設方案，等間隔設置定位標簽之間的距離(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。內嵌RFID讀寫器的監控終端被安裝在機車車頭，標簽與讀寫器之間采用喚醒應答模式工作，由監控終端內嵌的讀寫器定時主動喚醒有源電子標簽，電子標簽一旦被喚醒后應答發出信息，監控終端獲取標簽的ID及相關信息，所有的數據信息經LoRa遠程通信平臺傳輸接入廣域網絡。利用有源標簽ID的唯一性，在標簽空間位置確定的情況下，結合模型計算出機車的實時位置、速度和方向[6-7]。在巷道內，可按需布設安全標簽，如在岔道口設置安全標簽，可做到及時報警提醒，記錄機車在區間出入時間，提高對機車運行的全程監管能力。基于LoRa遠程通信接入平臺，信號機和轉轍機的數據信息統一接入管理服務中心，實現對運行機車的調度和管理。系統主要組成模塊：LoRa基站、網絡服務器、信號機、轉轍機、二型有源電子標簽(安全和定位標簽)、車載監控終端(內嵌讀寫器)和管理服務中心等，機車定位系統架構如圖1所示[8]。

圖1 機車定位系統

2 有源RFID定位系統

2.1 RFID硬件系統

nRF24LE1射頻芯片是一款具有一定控制處理能力的SOC芯片，內含增強型8051MCU和nRF24L01+兩個處理器。由于電子標簽功能單一，對處理器的要求不高，因此由nRF24LE1射頻芯片承擔電子標簽的控制處理功能，實現對低電壓監測和RS232通信的控制管理。nRF24L01+是工作在通用 ISM 頻段的無線收發芯片，其中心頻率為2.40～2.48 GHz，具有3種不同的通信速率和4檔可調的發射功率，室內通信達30 m左右。nRF24L01+通過調(跳)頻，具有1對6通信(接收)能力，通過軟件設置可調整輸出功率、通信頻道和協議，同時具有4種工作模式：掉電、待機、發射和接收。另外，nRF24L01+還具備 Enhanced Shock BurstTM增強型短突發技術，可實現通信自動應答和重發功能[8-9]。

RFID標識系統一般由標簽、讀寫器和應用系統組成，礦井空間環境比較復雜，各種通信干擾多，RFID讀寫器與標簽之間的通信距離較遠，而機車大多處在運動狀態，因此RFID系統的工作頻率選用微波頻段，電子標簽采用有源標簽[9-10]。有源標簽基于nRF24LE1芯片開發設計，具有低電壓監測報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。車載監測終端采用 STM32F103VET6(MCU)芯片作為控制處理器配以nRF24L01+射頻芯片設計開發，主要功能有：LCM顯示、讀寫電子標簽、語音提示和通信(遠程無線通信等)；基本硬件主要包括：LCM顯示模塊、語音提示模塊、SX1278通信模塊、MCU模塊、nRF24L01+模塊、電源模塊。監測終端基本架構如圖3所示[8-9]。

圖2 有源標簽模塊

圖3 監測終端結構

2.2 標簽讀寫控制

監測終端與有源電子標簽采用2種不同的通信模式，安全標簽主動模式，定位標簽被動模式，監測終端在不同的通道上與2種有源標簽通信，確保相互不干擾，實現有效數據傳輸。監測終端通過軟件設定，周期性喚醒定位標簽，標簽通過確認應答的方式，隨確認信息把相關信息一起發送；安全標簽通過軟件設定，周期性主動發送信息，從而保證安全指示信息被接收。二型有源標簽工作流程如圖4所示，電子標簽采用統一的控制軟件，通過監測硬件開關判別標簽類別。標簽上電進入初始化，配置各類參數，測量電源電壓值，當測得的電壓值小于報警電壓值時，點亮報警燈并報警，置低電壓報警寄存器標志位，否則清低電壓報警寄存器標志位，報警結束[11]。安全標簽周期性定時發送信息，利用RTC定時器設定周期時長，安全標簽從掉電休眠狀態周期性被喚醒發送信息，同時標簽可通過讀寫器的確認應答幀獲得相應信息交互。定位標簽采用被動喚醒工作模式，通過軟件設定RTC 定時器被啟動，周期性定時偵聽，當偵聽到喚醒指令時，立即把標簽內部信息隨應答確認發送給監測終端。有源電子標簽采用增強性短突發技術(Enhanced Shock BurstTM)，裝幀、應答和重發次數都可被自動實現，從而減少MCU干預，降低了標簽碰撞的幾率[9-11]。

圖4 二型電子標簽工作流程

3 基于LoRa的遠程通信

LoRa是一種新型的物聯網遠程接入通信技術，礦井應用中具有較明顯的技術優勢，具體表現為：通信距離遠、性價比高、功耗相對低、抗干擾、穿透能力強等[12]。LoRa遠程通信平臺由基于SX1278射頻芯片開發的內嵌在監測終端的通信模塊(通信終端)和基站組成，以基站為中心構成星形網絡，礦井通信至少能達到2 km，通過設置若干LoRa通信基站，實現對巷道全覆蓋通信。機車定位系統的數據通信節點不多，數據量小，時延不敏感，可采用私有通信協議保障通信安全有效。

LoRa通信基站和通信終端(內嵌在機車監測終端的通信模塊)在硬件結構上基本類同，基站主要組成模塊： MCU控制模塊、遠程無線通信模塊、通信接口模塊和系統電源模塊等，系統總體架構與機車監測終端基本相似[12-13]。車載監測終端和通信基站采用星形網絡拓撲結構，組成多對一的通信網絡，通過布置通信基站的密度，使得監測終端同時與多基站通信，可大大提高通信的可靠性和有效性。通信平臺的SX1278發送數據分2種情況：一是監測終端發數據，當RFID讀寫模塊獲取標簽數據后向MCU發中斷請求，在中斷開放的情況下服務中斷響應，讀取到的標簽信息被寫入數據緩存區；二是通信基站發數據，待發送數據主要來自上層管理服務中心數據。SX1278在MCU控制下發送數據，通常情況下，SX1278處在等待模式，MCU通過SPI接口把待發送數據寫入SX1278數據緩存器，待通信信道處于空閑時轉入發送數據模式，立即發送數據。SX1278具有CAD信道自動檢測能力，等待工作模式下定時啟動CAD信道檢測，對前導碼進行匹配檢查，當前導碼關聯計算成功，接收數據信息并發中斷信號給MCU，MCU中斷響應服務，完成數據的讀取。基站工作流程如圖5所示。礦井設備較多，各種機電和通信設備會產生種種干擾，無線通信環境比較復雜，要做到有效安全通信，SX1278發送數據時就要進行信道監測和避碰處理[12]。SX1278射頻芯片物理層只具有單純發送數據的功能，有數據就發，容易造成信道堵塞，發送效率低，為了提高通信效率，需要采用信道竟用機制來解決問題(如CSMA)。SX1278可采用多種方式實現信道竟用，通過對比分析和實際測試證明，利用信道信噪比值來監測信道狀態十分有效，當信道被監測到碰撞時，采用隨機時間退后機制來解決，通常設定時間窗口T，計算退避時間t=T×隨機數，從而減少碰撞幾率[13-14]。

通信協議是為了保障通信雙方建立有效通信的規程，采用個性化設計通信協議，實現簡化與有效通信。礦井機車定位的數據量較小，因此采用簡化的通信協議，只定義了3種基本的幀結構：數據幀(DATA)、應答幀(ACK)和廣播幀，幀結構分別見表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，空中傳輸時間相對較長，不宜單幀通信數據量過大，規定有效負載最大為64 Byte[12,14]。由于各種可能的因素，SX1278本身不具備保證數據通信有效性的能力，為此，通過設計ACK幀，當接收方收到數據后回復ACK幀來確認，對于廣播幀一般情況下不需回復。在發送數據情況下，為了有效通信，需要設計發送數據的最長確認時間T，當在T時間內未接收到確認幀，被認為接收失敗而重發。通信過程中，回復ACK幀不進行信道檢測，SX1278直接回復ACK幀。

圖5 基站工作流程

表1 DATA幀

表2 ACK幀

4 應用系統設計與測試分析

4.1 應用系統設計

定位的礦井機車運行管理系統軟件采用C/S和B/S相結合的理念設計，主要由5大模塊組成：系統配置、定位和軌跡顯示、安全預警、信息處理(報表處理)和信號機轉轍機管理，處理系統結構如圖6所示。數據庫采用微軟MS-SQL管理系統設計開發，構建數據庫的各類表有：定位數據、標簽標識、定位標簽、配置參數、調度信息和報表等。整個應用軟件的核心是定位解算和軌跡擬合顯示，重點是基于優化算法的運輸調度管理，通過定位數據獲取、計算、顯示以及事后的機車運輸路徑優化，實現礦井機車運輸的安全高效[14-15]。

4.2 系統測試與分析

為了測試基于LoRa遠程通信的機車定位效果，在某煤礦開展了靜態和動態2種情況下的通信、定位功能測試。測試系統由1臺機車監控終端、10個定位標簽、1臺通信基站和1臺筆記本電腦組成，定位標簽采用間隔5 m的方式安裝在礦井頂部固定位置，機車監控終端安置在可運動的設備上，調試好標簽與監控終端有效讀寫距離不大于5 m，監控終端速度不大于5 m/s，配置通信參數：工作頻率433 MHz，帶寬125 kHz、擴頻因子9、編碼率4/6、發射功率19 dBm。實測數據表明，監控終端以3.5 m/s運動情況下，通信距離超過0.65 km后(靜態下1 km后)，數據包接收出現丟包，在1.5 km左右丟包率達35%(靜態下2 km后超過35%)，采用數據接收確認機制確保了數據的可靠傳輸。機車定位精度依標簽設置間隔，靜態情況下，標簽標識定位穩定可靠；動態情況下，偶見標簽定位丟失現象，丟失率小于5%。綜合上述，基于 LoRa通信的RFID機車定位可以滿足礦井較大范圍機車定位數據的遠程通信，實現對礦井機車運行監控的實時定位[12,15]。

圖6 應用系統模塊結構

5 結論

長期以來，傳統的“信集閉”系統是礦井機車運輸管理的主要系統，但是隨著采礦信息化和自動化的發展與融合，礦井機車管理有了更科學有效的解決方案，物聯網技術在采礦領域的應用推動采礦業二化融合發展。采用RFID標識技術定位礦井機車是一項簡約而實用的技術，基于nRF24LE1和nRF24L01+射頻芯片設計RFID標識讀寫系統，利用LoRa無線遠程通信系統平臺，構建起井下巷道的機車定位監測應用系統，基于實時定位可實現對礦井機車的監管和調度，相比其他的定位系統，具有實用性高、成本低、可靠性高和可維修性好的特點。