基于LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的礦山全物料發(fā)貨系統(tǒng)設(shè)計

李兆猛

（南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司）

梅山礦業(yè)公司的鐵精粉生產(chǎn)、銷售為流程型生產(chǎn)方式，倉儲發(fā)貨需要及時完成，否則有逼停整個生產(chǎn)鏈條的風險。礦業(yè)公司的發(fā)貨系統(tǒng)具有位置分散、區(qū)域集中、品種多、業(yè)務(wù)多態(tài)的特征。發(fā)貨地點有鐵尾砂倉、氧分鐵紅料場、東礦倉、西礦倉、東南井料場、硫酸廠，產(chǎn)品包含鐵精礦、鐵尾砂、硫酸、廢石、壓濾以及鐵尾/壓濾混合產(chǎn)品等，所有發(fā)貨區(qū)域均在5 km 范圍內(nèi)。但因發(fā)貨區(qū)域的交通情況復(fù)雜以及施工影響，多次出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷且難以及時恢復(fù)的問題，造成發(fā)貨物料積壓、運輸車輛堵塞等情況發(fā)生。為此，設(shè)計一款穩(wěn)定性強、擴展能力強、網(wǎng)絡(luò)施工維護方便的全物料發(fā)貨系統(tǒng)勢在必行。

1 有線全物料發(fā)貨系統(tǒng)的問題

有線全物料發(fā)貨業(yè)務(wù)系統(tǒng)是通過光纖連接服務(wù)端與各智能發(fā)貨終端，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的信息交互、現(xiàn)場控制?？傮w拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

共6個發(fā)貨終端控制箱分別在直線3 km范圍內(nèi)，所有控制箱之間通過光纖連接到服務(wù)器機房，通過交換機與發(fā)貨服務(wù)器相連。不同的發(fā)貨終端控制箱因現(xiàn)場的產(chǎn)品數(shù)量不同，連接的其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與控制裝置數(shù)量也不同，在部署、擴展業(yè)務(wù)點時，每個箱子均需要鋪設(shè)光纖，兩端加裝光收發(fā)器、連接網(wǎng)絡(luò)的交換機等，為通信準備的硬件、電源等設(shè)備，占到整個控制箱設(shè)備的一半以上。同時發(fā)貨現(xiàn)場的交通、地形環(huán)境復(fù)雜，部署、施工等較為困難，且出現(xiàn)問題時維護工作量大、時間長。

每個發(fā)貨終端控制箱均需要通過光纖連接服務(wù)器，因各點位置較散，因此每個發(fā)貨終端均需要連接光纖接線盒、光纖收發(fā)器、交換機等，通信所需設(shè)備多、線纜多、連接工作量大。當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，檢查難度大，如果是光纖損壞，恢復(fù)需要的時間較長。因此，整個有線全物料發(fā)貨系統(tǒng)花費在網(wǎng)絡(luò)上的部署、安裝及檢修代價較大。

2 基于LoRaWAN的全物料發(fā)貨系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)

LoRa 是Semtech 公司開發(fā)的一種低功耗局域網(wǎng)無線標準，其名稱“LoRa”是遠距離無線電（Long Range Radio），它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一。LoRaWAN 開放規(guī)范是基于Semtech LoRa 設(shè)備的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）標準，提供了高效、靈活和經(jīng)濟的解決方案，在這些情況下，蜂窩、Wi-Fi和藍牙低功耗（BLE）網(wǎng)絡(luò)是無法實現(xiàn)的。正因LoRa 網(wǎng)絡(luò)具有上述特征，因此已經(jīng)被廣泛用于環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)急監(jiān)控、農(nóng)業(yè)生長情況監(jiān)測、停車場導(dǎo)引等方面［1-6］，在礦山行業(yè)，人們在礦山井下通信、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等方面也有探索應(yīng)用。結(jié)合LoRa通信技術(shù)特點，設(shè)計基于LoRaWAN 的發(fā)貨系統(tǒng)硬件整體方案如圖2所示。

圖2中，所有發(fā)貨控制箱網(wǎng)絡(luò)通信部分只需要一塊LoRa 收發(fā)節(jié)點即可，在全物料發(fā)貨服務(wù)器端安裝一塊帶有4G 網(wǎng)絡(luò)的LoRa網(wǎng)關(guān)，所有分布在整個廠區(qū)的各發(fā)貨點不需要再鋪設(shè)光纖、增加交換機及光收發(fā)器等設(shè)備，實現(xiàn)了各點與發(fā)貨服務(wù)系統(tǒng)的無線連接；通過服務(wù)器終端增加業(yè)務(wù)邏輯終端，在業(yè)務(wù)發(fā)貨現(xiàn)場增加業(yè)務(wù)物理終端，可便利地實現(xiàn)發(fā)貨點擴點?；贚oRa通信的全物料發(fā)貨系統(tǒng)，擴點方便，且不用擔心因施工造成的網(wǎng)絡(luò)中斷，且在復(fù)雜的工況環(huán)境下施工與維護成本非常低，具有極高的性價比。服務(wù)器端連接LoRa 網(wǎng)關(guān)，可實現(xiàn)與集控中心的高速連網(wǎng)；在無intertnet 網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，也可以通過LoRa 網(wǎng)關(guān)的4G傳輸方式，實現(xiàn)服務(wù)端與云平臺的連接，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

2.2 發(fā)貨終端硬件系統(tǒng)設(shè)計

有線的物料發(fā)貨終端設(shè)備多、接線復(fù)雜，業(yè)務(wù)警示燈控制使用485接口，邊緣業(yè)務(wù)終端和讀卡器均為RJ45接口，一鍵委托使用485接口，因此需要交換機、光纖轉(zhuǎn)換器等網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。接口的多樣性、輔助設(shè)備的增加，導(dǎo)致安裝施工復(fù)雜以及檢修和運營成本增加。為保障系統(tǒng)擴展性，又具有安裝、施工方便的目標，對當前發(fā)貨終端進行改進。改進前與改進后發(fā)貨終端控制箱如圖3所示。

改造前接口類型、接線標準多樣，改造后的Lo-RaWAN 的業(yè)務(wù)終端則只需要一個帶有485 接口的LoRa 傳輸模塊，刷卡器、控制模塊、擴展箱等均可通過485 連接，刷卡器、警示燈控制模塊按照一定規(guī)則分配一個485地址，即可完成相應(yīng)功能。部署一個發(fā)貨業(yè)務(wù)點，可省去光纖鋪設(shè)、融接等施工工作，減少交換機、收發(fā)器、光融接盒等設(shè)備及大量的接線工作，整個業(yè)務(wù)箱只有LoRa 網(wǎng)絡(luò)模塊、業(yè)務(wù)處理終端、警示控制模塊，減少了多個設(shè)備之間的故障點，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性；通過LoRa網(wǎng)絡(luò)自行組網(wǎng)，提升了系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性與擴展性。

2.3 支持分極配置的全物料發(fā)貨業(yè)務(wù)軟件設(shè)計

結(jié)合梅山及類似企業(yè)的發(fā)貨物料類型多、變化快的要求，設(shè)計一種方便增、刪、改的全物料業(yè)務(wù)模型，通過服務(wù)端配置、修改，發(fā)貨現(xiàn)場增加硬件的方式，可便捷地增加業(yè)務(wù)品種與發(fā)貨業(yè)務(wù)。

服務(wù)端功能主要是增加邏輯終端配置與管理：①增加倉庫點，包括倉庫點的代碼、倉庫點名稱、配置倉庫點業(yè)務(wù)處理機IP、倉庫點的父級倉庫ID、倉庫狀態(tài)；②倉庫操作，包括增加、修改、刪除、導(dǎo)出倉庫點，編輯多元系統(tǒng)映射編碼；③配置業(yè)務(wù)品種。

根據(jù)實際生產(chǎn)需要，在服務(wù)端只需要配置好新增業(yè)務(wù)的場所名稱、父級倉庫ID、多元映射代碼等，則在服務(wù)端增加了一個產(chǎn)品服務(wù)，比如在當前的發(fā)貨系統(tǒng)中增加瓜子片的品種，則增加瓜子片的邏輯業(yè)務(wù)終端即可；當一個發(fā)貨業(yè)務(wù)改變時，可通過修改倉庫位置、名稱、映射代碼等，則立即實現(xiàn)品種的轉(zhuǎn)換、位置變化，如尾礦倉的發(fā)貨品種由1 個品種鐵尾砂更新為2 種時，則在系統(tǒng)上配置產(chǎn)品種類即可，配置業(yè)務(wù)產(chǎn)品類型，可根據(jù)現(xiàn)場的產(chǎn)品情況及變化情況，實時更新并刷新即可。

2.4 全物料發(fā)貨終端軟件功能設(shè)計

根據(jù)發(fā)貨終端硬件系統(tǒng)及業(yè)務(wù)功能需求，設(shè)計靈活的發(fā)貨現(xiàn)場軟件模塊，主要用于發(fā)貨鑒權(quán)、過程記錄、委托生成及提交及信息提示功能。主要包含的功能有發(fā)貨看板、授權(quán)物資、系統(tǒng)設(shè)置、界面重置、調(diào)試面板、關(guān)閉示燈、退出登錄等功能。

發(fā)貨看板主要對當前發(fā)貨點的業(yè)務(wù)情況實時顯示，以及歷史情況展示，內(nèi)容包括發(fā)貨物資、計劃號、發(fā)貨量、車號、皮重、卡號、硬件接口等信息，能方便了解現(xiàn)場發(fā)貨的相關(guān)軟件及硬件接口、時間等信息，方便信息的回溯及故障分析，并將前車正確完成的信息在底部顯示出來，方便司機查詢現(xiàn)場信息；授權(quán)產(chǎn)品用于全發(fā)貨點某車道可以發(fā)貨的產(chǎn)品，當某一發(fā)貨點現(xiàn)場某車道產(chǎn)品變化時，可實時更新產(chǎn)品類型，則終端點信息實時與服務(wù)端更新同步，實現(xiàn)新的產(chǎn)品發(fā)貨，且刷卡器自動根據(jù)變動過濾其他類型產(chǎn)品卡，避免了產(chǎn)品錯發(fā)；系統(tǒng)設(shè)置用于配置本終端與服務(wù)端的信息交換接口；關(guān)閉示燈用于現(xiàn)場硬件警示燈的關(guān)閉，用于無發(fā)貨任務(wù)時節(jié)能；調(diào)試面板用于對本終端功能所涉及的源碼、輸出信息、當前執(zhí)行源碼、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、內(nèi)存占用等信息查詢，便于出現(xiàn)異常情況時的信息分析，方便維護人員遠程維護及處理問題。

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

基于LoRaWAN 的全物料系統(tǒng)自上線以來，建立了統(tǒng)一的硬件接口，并應(yīng)用統(tǒng)一的軟件靈活配置規(guī)則，實現(xiàn)了快速地部署與擴點應(yīng)用，且能根據(jù)現(xiàn)場產(chǎn)品變化情況，實時更新發(fā)貨產(chǎn)品類型、刷卡鑒權(quán)功能等定義；在部署及施工方面，省去有線發(fā)貨系統(tǒng)的光纖、RJ45 等施工內(nèi)容，減少了設(shè)備數(shù)量及接口，并統(tǒng)一使用LoRa 及485 接口；可方便地擴展發(fā)貨點，當前已經(jīng)由西礦倉應(yīng)用擴展到鐵尾砂、料場、東礦倉、壓濾泥、硫酸等發(fā)貨點；發(fā)貨點網(wǎng)絡(luò)硬件數(shù)量及接口類型減少50%以上，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性極大提升，系統(tǒng)硬件成本降低10%以上，網(wǎng)絡(luò)維護成本減少了80%以上；服務(wù)端可通過4G網(wǎng)絡(luò)，方便移動終端的遠程業(yè)務(wù)處理及維護工作，為業(yè)務(wù)實時、遠程交互提供了極大的方便。系統(tǒng)自2021 年投運以來，極大減輕了發(fā)運人員工作量，為復(fù)雜發(fā)貨現(xiàn)場靈活的發(fā)貨模式提供了易用的平臺，受到了使用部門的高度評價，系統(tǒng)主界面如圖4所示。

4 結(jié)語

以梅山礦業(yè)全物料發(fā)貨系統(tǒng)運行的實際情況為基礎(chǔ)，分析了有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在的問題，根據(jù)梅山發(fā)貨應(yīng)用場景的特點，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)LoRa通信的特點，設(shè)計了一種基于LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)的具有方便部署、擴展性強、統(tǒng)一接口的全物料發(fā)貨系統(tǒng)，并設(shè)計了整體方案及現(xiàn)場發(fā)貨終端控制箱。新的發(fā)貨系統(tǒng)不需要單獨鋪設(shè)光纖及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，可低成本、高效完成系統(tǒng)的復(fù)制，具有靈活性強、擴展性強、維護成本低的特點。