礦用無線智能終端測試系統設計與研究

李起偉

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應急避險技術裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

隨著煤礦智能化、智慧化的不斷推進及基于云端大數據的綜合業務的需要以及4G/5G 等核心技術的普遍應用，無線智能終端更新換代速度及需求量持續增加，導致無線智能終端的測試工作量劇增[1-3]。為保證無線智能終端的產品質量以及為產品改進提供大量測試數據，需對無線智能終端的持續距離、移動速度等各項性能指標進行持續測試，這樣就對人工測試的測試手段帶來更高的要求及挑戰。因此，研制一套可以測試分析無線智能終端的信號質量、最低接收靈敏度、通信距離等指標的測試系統是非常有必要的。

文中針對當前4G/5G 無線智能終端所采用的測試手段單一、測量數據獨立、交互融合算法落后，不能科學、規范、高效地對多源數據進行無縫融合，同時測量結果準確性、一致性難以保障等相關問題，提出一種采用基于AGV 無線程控車為載體，綜合多源數據采集融合裝置及無線傳輸控制技術的系統，實現不同移動網絡智能終端的自動測試。測試數據能夠準確地判定被測智能終端的性能，篩選出性能無法達到預期值的不良品，使得真正投入井下使用的智能終端的各項性能優良，在極端的環境下可以達到精確定位及實現當前的環境數據的采集與實時上傳，保障礦井人員的安全。

1 礦用無線智能終端測試系統組成

礦用無線智能終端測試系統主要由綜合多源數據采集融合裝置、無線程控AGV 裝置及綜合數據集中解釋軟件平臺組成。綜合數據集中解釋軟件平臺包括上位機和軟件系統，該平臺可通過綜合多源數據采集融合裝置記錄測試終端的通信數據變化、提供報表打印并能控制無線程控AGV 裝置的停止、前進；綜合多元數據采集融合裝置為系統提供多樣通信服務；無線程控AGV 裝置負載被測終端并接收軟件平臺發送的指令，通過導引定位使AGV 裝置沿設定路徑完成指令[4]。系統架構如圖1 所示。

圖1 無線智能終端測試系統架構示意圖

礦用無線智能終端測試系統，具有多種無線信號采集、數據融合、數據解釋及打印等功能，可以實現多種無線智能終端靈敏度、丟卡率、通信距離、最大移動速度、精確定位等性能的測試。同時礦用無線智能終端測試系統可實時監視無線程控AGV 裝置的狀態，通過無線下發命令控制AVG 裝置，從而形成高效的整體閉環測試。例如在測試無線終端通信距離時，終端以及無線程控AGV 裝置獨立與綜合多源數據采集融合裝置進行通信和數據傳輸，把終端通信參數和AGV 裝置距離信息上傳至軟件平臺，軟件平臺記錄數據并形成報表，當上傳數據僅剩一種時，該次測試完成。測試流程如圖2 所示。

圖2 距離測試流程圖

2 綜合多源數據采集融合裝置

綜合多源數據采集融合裝置作為整個系統的數據傳輸層，按照工業規范化、標準化、模塊化的思路設計而成。其設計充分考慮移動靈活、維護便捷及后續拓展，使得設計方案達到最優。該裝置通過有線連接與上位機軟件平臺進行通訊，具備4 種無線通訊模塊，擴大了系統可測試終端種類。

圖3 綜合多源數據采集融合裝置架構圖

綜合多源數據采集融合裝置內采用工業交換機模塊，具備千兆網絡傳輸和組網功能，主要由4G/5G通信模塊、UWB 定位通信模塊、WiFi 通信模塊、ZigBee 通信模塊、頻譜儀和測速儀組成。與核心網之間以光纖為主要連接，雙絞線作為輔助連接。綜合多源數據采集融合裝置實現模塊設備的共電源、共傳輸，并預留部分以太網接口，方便其他拓展測試儀器使用。綜合多源數據采集融合裝置各種無線模塊通過增益最大覆蓋范圍150～600 m，能夠完全滿足無線智能終端的有效距離測試。

綜合多源數據采集融合裝置的主要特點：

1）綜合多源數據采集融合裝置增益后通信距離為150～600 m，無線數據傳輸速度上行峰值可達50 Mbps，下行峰值可達150 Mbps，能根據實際需要配置，滿足各種無線智能終端的測試要求。

2）綜合多源數據采集融合裝置最大可正常測試移動速度不超過1 m/s 的任意無線智能終端。

3）最大支持接收靈敏度不小于-120 dB 的無線智能終端的測試。

4）綜合多源數據采集融合裝置提供4 個FE/GE電口,2 個FE/GE 光口，方便后續拓展部署使用。

3 無線程控AGV裝置設計

無線程控AGV 裝置主要由AGV 小車及程控角度位置變換工裝等組成，其設計方案按照工業化、標準化、模塊化的設計準則，將無線程控AGV 裝置的功能模塊化，并充分考慮無線終端在測試過程中的位置變化需求，制作了程控角度位置變換工裝，機械材料采用Q235 鋼板，其剛度強、材質好且質量輕。能夠在0.4 m/s 的移動速度下承載重量約為10 千克的設備[5]。布局應用分塊隔離方法，有效地將大容量的鋰電池與其他電路及易摩擦的運動體隔開，以達到除了能滿足正常的測試需求，在一定程度上起到防御安全隱患的作用。圖4 為車體結構圖。

圖4 無線程控AGV小車裝置結構圖

3.1 AGV控制系統總體設計

AGV 小車是測試系統的執行層，通過響應上位機軟件平臺下達的指令來控制車輛動作，其主要功能包括運行與動作控制、無線通信等[6]。該文設計的AGV 小車主要由主控制器、磁導航傳感器、射頻讀卡器、顯示屏、鋰電池、無線通信模塊、驅動機構等構成[7]。AGV 小車系統控制結構如圖5 所示。

圖5 AGV系統控制結構圖

主控制器采用意法半導體的互聯型微控制器STM32F107VC，接收來自電源模塊24 V 和5 V 供電[8]。24 V 主要是給繼電器以及外接設備供電，5 V是為微控制器供電；磁導航傳感器和程控工裝通過GPIO 實現數據傳輸和通信；液晶顯示屏通過I2C 模擬串口進行狀態顯示；無線通信模塊和射頻讀卡器則通過USART 口進行數據傳輸；通過輸出PWM 信號控制車體的驅動電機；電壓檢測輸出的模擬信號通過A/D 模塊轉換成數字信號。

3.2 系統主要模塊設計

3.2.1 磁導航傳感器

導航方式采用磁帶導航，磁帶導航是利用磁性傳感器檢測預鋪設磁帶的磁場，通過感應磁場變化計算AGV行駛時的偏移方向和偏移量[9]。該文采用沈陽軍航電器有限公司的JH-08N型傳感器。該傳感器利用8 路采樣點NPN 型三極管輸出偏差電壓，輸出電壓為5 V，檢測距離為10～30 mm，檢測點數量為8路，響應時間為10 ms。磁導航傳感器電路及接口如圖6所示。

圖6 磁導航傳感器電路及接口圖

3.2.2 無線通信模塊

無線通信模塊式管理控制層與執行層之間傳遞信息的紐帶，主要用來與上位機進行通信，接收上位機發送的各種命令信息，并把自己的運行信息報告給管理控制層，使系統能夠監控車體的狀態[10]。

無線通信模塊，選用成都澤耀科技有限公司的AS32-TTL-100 模 塊[11]。AS32-TTL-100 是一款基于Semtech 原裝SX1278 射頻芯片而研發，該模塊為LORA 擴頻傳輸，接收靈敏度高、距離遠，功率只有100 mW。其工作頻段在410～441 MHz 之間，采用UART 數據接口，最大通信距離達到3 000 m。圖7

圖7 無線通信模塊與主控制器連接方式

為無線通信模塊與主控制器連接方式。

3.2.3 射頻讀卡器

射頻讀卡器采用射頻識別技術，簡稱RFID[12]。RFID 是一種自動識別技術，通過射頻非接觸的雙向數據通信，利用射頻對記錄介質（電子標簽或射頻卡）進行讀寫，從而達到目標識別和數據交換的目的[13]。

在本系統中，標簽的作用是給AGV 發出停止、暫停自啟動、調頭、調頭并停止等指令，當AGV 上的RFID讀卡器掃描到標簽并讀取標簽上的信息，然后把信息發送給主控制器，主控制器依據信息發送相應的指令控制AGV 車體的動作。圖8為RFID 射頻識別原理圖。

圖8 RFID射頻識別原理圖

無線程控AGV 裝置主要由無線通信模塊經綜合站集中上傳至上位機，與電源管理模塊及程控角度裝置采用比較成熟的CAN 總線通信，通信速率最高可達1 Mbps，完全能夠滿足實時控制及反饋采集。

4 綜合控制軟件平臺

軟件的開發采用C#面向對象編程語言，使用SQL Server 2016 數據庫，開發環境采用微軟公司的Visual Studio 2015[14]。C#是微軟公司開發的一種語言，是從C 和C++派生出來的一種語言，其具有簡單、安全的特性。它同時具有C++、Visual Basic、Delphi、Java 等語言的優點，可以開發集聲音、動畫、視頻于一體的多媒體或者網絡應用程序[15]。綜合數據集中解釋軟件采用的是B/S 和C/S 組合架構，上傳的各種數據結果儲存在SQL 數據庫中，便于數據集中管理解釋，如圖9 所示。

圖9 綜合控制數據集中解釋軟件平臺流程圖

整個平臺通信模塊是基礎，銜接了其他模塊，測試管理模塊對整個數據鏈集中調控，實現測試的智慧化、自動化。

5 系統測試和傳統人工測試對比

為了更好地闡述測試系統的可靠性，選擇各項性能穩定的同一臺智能終端設備，分別應用系統測試和傳統人工測試對5 項測試項進行測試，對比結果見表1[16]。

表1 應用系統測試和傳統人工測試對比表

表1 的測試結果表明，系統測試和傳統人工測試的結果基本一致，而且符合技術要求說明完全可以取代人工測試，降低由于人為失誤等因素造成的誤檢率。

6 結束語

該文介紹了無線智能終端測試系統的架構及組成，從測試項的生成、測試過程的集中調控，測試結果的獲取比對及測試報告的生成與儲存都完全可以在綜合測試平臺上實現。當前采用的多源采集，數據集中解釋的方法在傳統智能終端測試領域應用是極少的。最后用性能穩定的移動終端對5 項測試項做系統測試和傳統人工測試對比分析，充分說明該測試系統的可靠性和穩定性，極大地節省了人工投入，縮短了智能終端的測試周期，提高了測試效率。