基于LoRa 的矿用无线通信系统设计

周德胜

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400039）

随着煤矿智能开采的不断发展和安全监控的逐步升级，煤矿井下需要监测的环境参数和设备状态越来越多，需要远程控制的智能终端设备也越来越复杂，现有广泛使用的有线总线通信不能满足终端节点日益膨胀的物联网需求[1]。已有的多种无线通信技术在矿井展开应用，主要包括泄漏通信、小灵通、3G、4G、Wifi、ZigBee 等[2-3]。其中泄漏通信主要应用于救援通信，因极低的通信速率和低可靠性逐渐被淘汰；小灵通、3G、4G 主要应用在煤矿井下语音和视频传输，通信速率较高但传输距离近，功耗高，基站昂贵，抗干扰能力差，多用于主巷道和工作面等有特殊需求的点位，难以展开全网覆盖；ZigBee通信技术被应用在矿井巷道顶底板移近量监控、煤矿井下通风设备远程监控系统等系统中，这些系统通常采用点对点通信或少量节点Mesh 组网，受限于通信距离无法大规模组网；Wifi 通信技术通信速率高，组网方便，被广泛应用于煤矿井下人员定位，但传输距离近，抗干扰能力弱，功耗大，也不适用于安装位置分布广泛且功耗敏感的传感器节点[4-7]。

LoRa 通信技术主要面向物联网应用，采用线性调频扩频调制技术，其接收灵敏度可达-148 dBm，覆盖范围广，抗干扰能力强，容量大，功耗低，支持定位和测距，组网灵活安装便利，不需要网络运营商支持，特别适用于煤矿井下甲烷等易燃易爆有毒有害等气体混合，煤尘分散，无线传输衰减严重，电磁环境复杂的环境[8-10]。

为解决煤矿井下传感器网络无线通信通用性不强，抗干扰能力差，通信距离短，功耗高等问题，设计了一种基于LoRa 的矿用无线通信系统，实现煤矿井下环境监测与生命信息无线采集，保障各类传感器与控制器信息可靠传输。

1 系统架构

系统由终端，网关和服务器3 层组成，其中终端与网关组成星型拓扑结构。终端包括各类传感器、执行器和移动便携设备，负责现场参数采集、设备运行监控和装置动作执行；网关与服务器采用以太网通信，网关与网关之间同时支持以太网和LoRa 无线通信，网关优先采用以太网与服务器通信，若通信失败则向相邻的LoRa 网关请求转发；服务器负责网络管理、数据处理以及更上层数据交互。

2 硬件设计

SX1268 是Semtech 公司在2018 年推出的一款半双工收发器，工作在400 至800 MHz ISM 频段，输出功率高达22 dBm, 接收灵敏度最高可达-148 dBm，采用前向纠错（forward error correction，FEC）技术，具有较高的通信链路鲁棒性，非常适合煤矿井下使用[11-13]。设计的系统选用SX1268 作为物理层收发芯片，其中网关使用5 片SX1268，每片分别工作在不同的信道上，终端使用1 片SX1268。网关和终端采用相同的射频电路，工作在420～440 MHz 频段，带宽250 kHz，扩频因子5，最大发射功率22 dBm，通信接口原理如图1。

图1 通信接口原理图Fig.1 Schematic of communication interface

3 关键技术

为适应井下传感层终端数据传输频率高，可靠性要求高，延时要求低的需求，系统采用自主协议和显式帧格式，帧格式见表1。

表1 帧格式Table 1 Frame format

1）终端入网。网关同时支持5 个信道通信，其中信道1 用作终端入网管理和网关间通信，其余信道用作数据传输。终端设备上电后首先在信道1 向网络发送入网请求帧，入网请求帧使用统一的0x00 通信地址，并携带自身的设备设别号。网关收到入网请求帧后服务器申请通信地址，服务器根据终端的设备识别号决定是否允许设备入网，如果允许则分配1 个当前系统唯一使用的通信地址，并由网关分配1个信道给该终端使用。如果有多个网关同时收到同一终端的入网请求帧，服务器选择收到该帧信号强度大的网关作为入网接口，网关处理入网请求流程如图2。

图2 入网流程图Fig.2 Diagram of access

2）通信地址。接入系统的设备具有唯一的设备识别号，设备识别号由8 字节64 bit 组成，包括最高字节表示的设备类型，次高2 个字节表示的厂家代号和其余字节表示的设备序列号。服务器根据设备识别号为终端分配2 个字节的通信地址，为避免同一终端设备频繁请求入网获得不同的通信地址导致数据紊乱，同一设备识别号离线不超过24 h 内重新入网请求时分配同1 个通信地址，只有离线超过24 h 才回收之前的通信地址。

3）网关容量。LoRa 采用扩频调制技术，用多个码片表示1 位有效信息负载，扩展后的信息传输速率即符号速率和帧在空中传输时间及帧总符号数计算如下：

式中：Rs为符号传输率；BW 为带宽；SF 为扩频因子，系统采用显式帧传输，扩频因子为5。

式中：Npreamble为前导码符号数，默认值12；Nload为负载字节数；ceil 为函数，表示返回大于或等于表达式的最小整数取值；Nheader为帧头符号数；NCRC为校验符号数；CR 为编码率代号，取值｛1，2，3，4｝，分别对应编码率｛4/5，4/6，4/7，4/8｝。

4）信道分配。设某网关某信道下已经带载n 个终端，第i 个终端对应的数据帧空中传输时间为ti，通信频率fi，信道使用率φ。某个信道的使用率大于1 时，位于该信道的终端将出现系统丢包。网关实时统计各个信道的使用率，若有新的终端请求接入，将该终端加入使用率最低的信道，若所有信道使用率都大于1，则拒绝新的终端入网。

5）信道划分与终端漫游。系统工作在420～435 MHz 频段，带宽250 kHz，共划分30 个信道，信道按中心频率由低到高分别记为A0到A29，其中A0为调试信道，A1为终端入网申请信道，A2到A29为数据传输信道。系统采用上下行同频方式，在空旷环境按简易正六边形布置网关，在井下巷道按正方形布置网关，相邻网关数据信道互不相同。

4 结 语

为煤矿井下监控设计了一种基于LoRa 的无线通信系统，详述了网关和终端模块通信接口设计、终端入网机制、通信地址管理、信道划分、移动终端漫游机制等关键技术。新设计的通信系统采用自主协议，以设备识别码唯一标识终端，通信地址自动分配，自动将终端链接入信号强度最高的网关且分配使用率最低的信道，移动终端可快速实现网关漫游，网络布局安装灵活方便，自适应强。该系统在重庆某实验巷道进行了现场测试，在纵向巷道内，每1 km布置1 个网关，每公里范围内均匀布置128 个终端节点，持续1 周的运行实验表明，本系统无线连接可靠，具有较强的抗电磁干扰能力，通信距离远，使用于煤矿井下传感层设备通信。