用于煤矿设备信息化升级的无线数据传输节点

0 引言

对煤炭开采、储运、加工等环节中的设备进行信息化升级改造，是提高煤炭产业生产力、竞争力的有效手段[1-2]。但是由于受资金投入有限、老旧设备存续量大、设备体系和型号繁杂等因素所限，我国煤炭行业现阶段规模化信息交互能力略有不足，由此产生的信息孤岛对产业的进一步升级造成了不利影响[3-5]。

由于煤炭行业生产环境复杂，有线传输方式在布线成本、使用便捷性、建设周期等方面存在不足，所以可考虑采用覆盖范围大、传输可靠性高的无线传输作为设备间信息互联的主要方式。在无线数据传输领域，2.4 GHz ISM频段、ZigBee/IEEE 802.15.4协议应用较为广泛[6-7]。但是在具体煤矿生产环境中，2.4 GHz无线信号传输存在多径效应显著、传输距离短、耐噪特性较差和灵敏度较低等不足，需要在节点布局与天线等方面进行针对场景的匹配优化设计[8-9]。相较于2.4 GHz无线信号，433，915 MHz等频段的无线信号在穿透性及传输距离上有一定优势，但是在这些频段上未形成主流商用协议，为节点通用化设计带来了不便。WiFi无线传输方式具有传输速率较高、组网便捷、支持移动智能设备等优势，但不适用于节点能耗受限的情况[10]，单网规模与可靠性也劣于ZigBee方案。GPRS、3G/4G等基于移动基站的通信方式需要额外建设专用基站，建设成本较高且持续产生数据服务费用[11]，不适用于煤矿井下。

面向下一代物联网海量终端互联应用、基于啁啾扩频技术(Chirp Spread Spectrum，CSS)的长距离(Long Range，LoRa)低功耗广域网技术(LoRa-CSS)在通信距离、抗噪声能力、网络拓扑、支持终端数量等方面具有显著优势[12-14]，有望满足煤炭行业大规模设备信息互联互通的需求。而利用功能集成度高、成本低、可靠性高的可编程片上系统(Programmable System-on-Chip，PSoC)在一个硅片上实现定制功能的数模混合嵌入式系统，可灵活地适配不同设备的信息传输需求，实现基于IP核设计重用技术的快速研发及功能适配[15-16]。本文结合LoRa-CSS与PSoC技术，设计了一种用于煤矿设备信息化升级的无线数据传输节点，该节点利用可编程片上系统PSoC灵活适配煤矿设备的数据接口，通过LoRa无线通道进行较大范围内的可靠无线信息交互，从而构建煤炭物联网规模化无线信息传输通道。

1 严重多径环境下的LoRa-CSS传输

来自物体的反射、边缘上的衍射及粗糙表面的散射等都会造成无线信号多径效应。由于煤矿环境较复杂，无线信号传输受多径效应影响尤为严重[17]。LoRa-CSS信号的抗多径性能与其信息承载能力直接相关，为了实现不同场合的高效数据传输，需要依据LoRa-CSS传输特点设定对应信息承载结构。

与大多数传统二进制CSS方法不同，LoRa-CSS传输具有多态性，即在每个符号位上传递7～12 bit数据。每个啁啾调制后频率都对应一个承载的数据状态，每个编码的啁啾(多态啁啾调制)实际上是参考信号的循环移位，如第k个数据状态对应的频率fk可表示为

(1)

式中：f0为初始信道频率；B为信道频谱宽度；F为扩频因子。

LoRa信号的实时频率可表示为

(2)

式中：fc为啁啾载波频率;TS为啁啾信号周期；t为时间。

基于上述实时CSS扩频信号，LoRa采用格雷编码方式获得最大汉明距离，以提高接收端探测纠错能力。编码率C∈[1,2,3,4]，用于前向纠错的编码效率R可由式(3)得到：

(3)

LoRa-CSS信道比特率L可用式(4)计算：

(4)

由式(1)—式(4)可以看出，LoRa-CSS的信道比特率由扩频因子、编码效率、啁啾信号周期共同确定。严重多径环境中的LoRa-CSS信号传输实验表明，仅扩频因子对多径条件下的信号传输有显著影响。当扩频因子F∈[10,11,12]时，基本可实现多径免疫。但是较大的扩频因子会造成传输速度下降，不利于设备信息互联互通。而较高的编码效率有助于实现相对较大的数据传输带宽。因此，令扩频因子处于多径免疫区的下边界处，即F=10作为系统的主扩频因子。而编码效率及带宽则取允许范围的上边界值，即R=0.8,B=500 kHz。

2 无线数据传输节点设计

2.1 节点结构设计

无线数据传输节点用于煤矿设备间或设备与上位机之间的信息交互。节点由PSoC、LoRa无线通信模块、隔离接口部分及供电部分组成，如图1所示。节点围绕PSoC设计，采用CY8C3866AXI-040型PSoC芯片，该芯片内置工作频率高达67 MHz的固核高速微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)，利用其内部通用数字块 (Universal Digital Block，UDB)阵列，结合原生IP核，可灵活适配不同煤矿设备的数据接口规范。此外，CY8C3866AXI-040还负责节点管理调度及供电监测等功能。LoRa无线通信模块选用SX1278芯片。该模块发射功率为27 dB·m，接收灵敏度为-130 dB·m以上。节点无线传输可选择410～441 MHz的32个离散信道之一。LoRa无线通信模块通过通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)接口与CY8C3866AXI-040连接。

图1 无线数据传输节点结构
Fig.1 Structure of wireless data transmission node

在现有煤炭行业设备中，部分设备已经具有RS232、RS485、CAN等总线数据接口，有的可通过PLC升级或增加辅助信息装置实现上述接口。因此，重点面向行业主流的数字总线接口类型，采用RSM232D、RSM485HT、RSM422、CTM8251KD嵌入式隔离收发器连接CY8C3866AXI-040对应端口及设备数据接口。

在煤矿设备工作环境中，往往会遇到较强的电磁冲击，因此在接口部分还需增加电磁隔离及抗浪涌功能。本文采用CAN总线保护器SP00S12抑制数据接口可能出现的浪涌。

为了兼顾转换效率及隔离特性，供电部分选择E2405UHBDD宽压输入隔离稳压模块，其满载效率高达83%，隔离电压为DC1 500 V，负载调整率小于1%，可充分满足节点供电需求。

节点开发过程中，在PSoC原生IP核的基础上，使用Verilog HDL开发面向具体应用的结构并加以封装。在不同的应用场景中不需要针对多样化的煤矿设备而改变硬件设计，通过功能IP核的调配增删即可实现相应功能，大大降低了开发复杂度，实现了功能复用。高集成度、高灵活性的PSoC结合接口模块，使得节点具有十分简洁的结构，如图2所示。该结构大幅度地降低了成本，提高了可靠性，此外简洁的布局也有助于降低机械振动等不利因素对节点的影响。

图2 基于PSoC开发的节点功能结构
Fig.2 Node functional structure based on PSoC development

2.2 节点工作流程

节点可工作于轮询模式和自主时序模式。在轮询模式下，节点响应上位机发来的轮询指令并将指令传给设备，将当次轮询周期内收集到的设备数据置于可变长度的Payload容器中发往上位机。在自主时序模式下，节点收集设备数据，当满足传输触发条件(存储区将满或要求实时性等)后通过Payload容器发送数据，并持续侦听LoRa信道，实时接收上位机发来的设备指令并传递给设备。轮询模式的时序由上位机确定，自主时序模式的时序由设备确定，用户可根据需要自行选择工作模式。节点工作流程如图3所示。

节点将PSoC中的原生IP核与针对具体应用开发的设备接口适配IP核相结合，以匹配不同煤矿设备数据接口的通信协议及数据格式。此外，在PSoC内部存储空间中为每个接口安排了一个设备数据缓存区及上位机指令缓存区，以提高数据传输稳定性和可靠性。

图3 无线数据传输节点工作流程
Fig.3 Workflow of wireless data transmission node

节点支持最长128 byte的Payload容器。用户可根据实际数据传输要求，通过修改PSoC中的LoRa传输IP核(由UART原生IP核及基于UDB开发的LoRa传输管理IP核构成)，实现针对不同数据的承载封装。每个LoRa网络中的节点都具有其唯一网内ID，通过该网内ID可实现可靠的网内数据传输。

2.3 规格化数据格式

为了便于设备进行信息交互，节点采用统一规格化的数据格式，如图4所示。其中“ID”用于标志具体节点或上位机，“拼接标志”用于在信息及辅助标志的长度超出LoRa容器所允许长度时进行序列信息拼接，“方向”用于标志信息上下行方向，“长度”用于标志该条数据中指令数据所占长度，“校验”用于循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)。在轮询模式下，“指令及数据”由一系列带时间戳的指令和数据构成，并分别用带序号的指令标志及数据标志进行分割及指示；而在自主时序模式下，指令和数据都为实时发送，所以“指令及数据”仅含单条由对应类型标志指示的指令或数据。

3 测试分析

对无线数据传输节点的电磁隔离特性进行测试。使用RK2670AM型耐压测试仪以60 s为周期分别在各接口上施加DC2 000 V高冲击电压，加压300次。测试结果显示，各设备接口未有击穿、短路、飞弧等现象，加压过程对各设备接口的工作特性未造成影响，体现了较强的隔离特性。此外，对供电部分施以500次以60 s为周期的DC1 500 V高冲击电压，结果显示，其工作特性良好，亦未受冲击电压影响。测试中还观察到设备接口上的浪涌干扰抑制模块可以有效地将短时高强度浪涌信号降到设备容限值以下。

图4 LoRa容器中的规格化数据格式
Fig.4 Normalized data format in LoRa payloads

在冀东某煤炭储运区对节点实际使用效果进行测试。测试中节点用于连接带式输送机及粉尘监测设备。用于带式输送机的节点采用自主时序模式，而连接粉尘传感器的节点采用轮询模式。带式输送机的RS485接口与节点的RS485接口使用屏蔽线相连。带式输送机的数据经过RS485/UART协议转换，由节点内数据端口管理IP核及数据操作管理IP核进行缓存、纠错、校验信息等相关操作(通过应用程序编程接口(Application Programming Interface，API)调用对应的功能IP核实现，无需再根据应用场景进行针对性编程)。节点与上位机之间的LoRa通信由LoRa通信管理IP核实现，仅需按照预设API接口规范设定通信模式与置入/取出数据，即可实现节点-上位机间基于规格化数据格式的相互通信。而对节点管理，亦通过系统管理IP核实现。IP核重用功能将逻辑功能实现过程简化为一系列基于API的调用，不需进行针对设备的专有性开发。粉尘传感器的功能实现与带式输送机相同，二者使用相同的功能IP核和节点硬件结构(IP核和硬件结构的重用)，仅在API的具体调用参数上基于传感器I2C接口及轮询模式的特点有所调整。

节点与中心站之间的距离为400～900 m。节点与中心站之间的菲涅尔区存在一定程度由煤堆及机械设备造成的遮挡。测试中频率为429 MHz，天线增益为3 dBi。采用式(5)所给出的数据包传输成功率(Packet Success Rate，PSR)在1 h内的平均值作为传输效果的衡量依据[18]：

(5)

式中Ps和Pt分别为接收数据包数和发送数据包数。

需要注意的是，该PSR值为计入3次握手失败及CRC校验失败后的值。测试得到的PSR均值、最优PSR及PSR劣化下边界结果如图5所示。

图5 节点PSR测试结果
Fig.5 PSR test results of the nodes

由图5可以看出，各节点与上位机之间的数据通信效果较为理想，PSR均值在98.5%以上，大多数时间PSR稳定在100%。降雨及车辆对节点传输能力偶有影响，布设在路边的粉尘传感器受车辆运动影响较大，如布设于停车位附近的3号粉尘传感器，当附近有车辆频繁停靠时，其PSR值较PSR均值降低了近10%。通过改进场区车辆停靠规划后，这一问题得到了较好的解决。在测试周期内获得的监测数据还显示，节点与设备的数据交互良好，未发现在节点-设备接口处出现数据丢失或错误现象。外部电动机等产生的强电磁干扰亦没有影响节点正常工作。测试结果表明，所设计的无线数据传输节点稳定可靠，可以有效地构建由中心站到设备的稳定数据传输通道。

4 结语

通过结合LoRa-CSS低功耗广域网技术及基于IP核开发的可编程片上系统技术，设计了一种用于煤矿设备信息化升级的无线数据传输节点，介绍了节点的结构设计、工作流程及统一规格化数据格式。该节点可以有效地构筑稳定可靠的无线数据传输通道，且具有较强的抗电磁干扰能力。测试结果表明，该节点具有较强的隔离特性，工作性能稳定可靠，可为煤炭企业设备信息化升级提供有效的技术手段。