物联网远程接入通信的RFID矿井机车定位系统*

张新

(绍兴职业技术学院 浙江绍兴 312000)

0 引言

矿物开采需要大量物资在矿井中运输，矿井的主要运输方式采用轨道运输，机车的运输状态如何显得十分重要，它关系到整个矿物开采的效益并影响采矿企业的生产。对矿井机车运输的监控管理一直以来采用“信集闭”系统，最早引进国外先进的设备、技术与理念，在矿物开采的运输中发挥了积极的作用，随着智慧矿山的建设和发展，特别是自动化、信息化的二化融合，矿物开采大量采用了物联网新技术，从而有力地推动了矿井机车运输监控管理系统的变化和更新[1]。

矿井机车运输监控管理以机车实时定位和信息有效传输为前提和基础，基于机车定位实现对机车的监控和调度管理[2-3]。矿井环境条件相对地面有其特殊性和局限性，各种性能优异的定位技术(如卫星定位)无法在矿井中应用，目前对矿井机车定位主要基于传感器和RFID技术来实现，信息通信主要基于有线或近距离无线传输技术。笔者针对矿井机车运输现状，提出了基于物联网LoRa远程接入通信技术，采用有源RFID技术对矿井机车定位的技术方案，实现对矿井机车运输管理服务，其定位系统简单、功耗低、性价比高、通信距离远，并且具有抗干扰、穿透性强的优势，大大提高了系统的可靠性、实用性和安全性。

1 系统主要功能和原理

矿井机车监测与管理基于RFID标识定位技术实现，其主要功能为：①矿井机车定位。利用RFID标签标识唯一性，实现机车运行位置定位和轨迹显示。②转辙机、信号机管理。基于远程的LoRa通信平台，实现转辙机、信号机和管理服务中心的实时信息交互，实现对机车运行调度。③安全指示、预警，对某些区域或地点设置安全标签，实现实时安全指示与预警，如限速区提醒等。④紧急呼救。一旦碰到险情，可以紧急通过监控终端上报(或下传)呼救信息。⑤信息服务,包括机车轨迹回放、系统配置、远程服务、电子标签管理、报表处理等[3-4]。

系统总体设计思想：利用有源RFID电子标签标识唯一性与标签巷道空间固定位置捆绑，通过LoRa远程通信平台解决巷道内远距离低速可靠传输数据的办法获得机车运行实时位置，基于定位数据实现对矿井机车运输状态的监控管理[5]。有源RFID标识系统采用二型电子标签(定位标签、安全标签)，其中安全标签用于机车预警，定位标签用于机车定位。矿井巷道空间地理信息已知情况下，合理布设定位电子标签，可采用巷道顶部或巷道侧面2种布设方案，等间隔设置定位标签之间的距离(如5 m或10 m)，间隔距离大小影响定位精度并与RFID读写距离有关。内嵌RFID读写器的监控终端被安装在机车车头，标签与读写器之间采用唤醒应答模式工作，由监控终端内嵌的读写器定时主动唤醒有源电子标签，电子标签一旦被唤醒后应答发出信息，监控终端获取标签的ID及相关信息，所有的数据信息经LoRa远程通信平台传输接入广域网络。利用有源标签ID的唯一性，在标签空间位置确定的情况下，结合模型计算出机车的实时位置、速度和方向[6-7]。在巷道内，可按需布设安全标签，如在岔道口设置安全标签，可做到及时报警提醒，记录机车在区间出入时间，提高对机车运行的全程监管能力。基于LoRa远程通信接入平台，信号机和转辙机的数据信息统一接入管理服务中心，实现对运行机车的调度和管理。系统主要组成模块：LoRa基站、网络服务器、信号机、转辙机、二型有源电子标签(安全和定位标签)、车载监控终端(内嵌读写器)和管理服务中心等，机车定位系统架构如图1所示[8]。

图1 机车定位系统

2 有源RFID定位系统

2.1 RFID硬件系统

nRF24LE1射频芯片是一款具有一定控制处理能力的SOC芯片，内含增强型8051MCU和nRF24L01+两个处理器。由于电子标签功能单一，对处理器的要求不高，因此由nRF24LE1射频芯片承担电子标签的控制处理功能，实现对低电压监测和RS232通信的控制管理。nRF24L01+是工作在通用 ISM 频段的无线收发芯片，其中心频率为2.40～2.48 GHz，具有3种不同的通信速率和4档可调的发射功率，室内通信达30 m左右。nRF24L01+通过调(跳)频，具有1对6通信(接收)能力，通过软件设置可调整输出功率、通信频道和协议，同时具有4种工作模式：掉电、待机、发射和接收。另外，nRF24L01+还具备 Enhanced Shock BurstTM增强型短突发技术，可实现通信自动应答和重发功能[8-9]。

RFID标识系统一般由标签、读写器和应用系统组成，矿井空间环境比较复杂，各种通信干扰多，RFID读写器与标签之间的通信距离较远，而机车大多处在运动状态，因此RFID系统的工作频率选用微波频段，电子标签采用有源标签[9-10]。有源标签基于nRF24LE1芯片开发设计，具有低电压监测报警和串行通信等主要功能，采用锂电池供电方式(或市电)，硬件组成有：nRF24LE1芯片模块、RS232通信模块、低压指示模块和电源模块，如图2所示。车载监测终端采用 STM32F103VET6(MCU)芯片作为控制处理器配以nRF24L01+射频芯片设计开发，主要功能有：LCM显示、读写电子标签、语音提示和通信(远程无线通信等)；基本硬件主要包括：LCM显示模块、语音提示模块、SX1278通信模块、MCU模块、nRF24L01+模块、电源模块。监测终端基本架构如图3所示[8-9]。

图2 有源标签模块

图3 监测终端结构

2.2 标签读写控制

监测终端与有源电子标签采用2种不同的通信模式，安全标签主动模式，定位标签被动模式，监测终端在不同的通道上与2种有源标签通信，确保相互不干扰，实现有效数据传输。监测终端通过软件设定，周期性唤醒定位标签，标签通过确认应答的方式，随确认信息把相关信息一起发送；安全标签通过软件设定，周期性主动发送信息，从而保证安全指示信息被接收。二型有源标签工作流程如图4所示，电子标签采用统一的控制软件，通过监测硬件开关判别标签类别。标签上电进入初始化，配置各类参数，测量电源电压值，当测得的电压值小于报警电压值时，点亮报警灯并报警，置低电压报警寄存器标志位，否则清低电压报警寄存器标志位，报警结束[11]。安全标签周期性定时发送信息，利用RTC定时器设定周期时长，安全标签从掉电休眠状态周期性被唤醒发送信息，同时标签可通过读写器的确认应答帧获得相应信息交互。定位标签采用被动唤醒工作模式，通过软件设定RTC 定时器被启动，周期性定时侦听，当侦听到唤醒指令时，立即把标签内部信息随应答确认发送给监测终端。有源电子标签采用增强性短突发技术(Enhanced Shock BurstTM)，装帧、应答和重发次数都可被自动实现，从而减少MCU干预，降低了标签碰撞的几率[9-11]。

图4 二型电子标签工作流程

3 基于LoRa的远程通信

LoRa是一种新型的物联网远程接入通信技术，矿井应用中具有较明显的技术优势，具体表现为：通信距离远、性价比高、功耗相对低、抗干扰、穿透能力强等[12]。LoRa远程通信平台由基于SX1278射频芯片开发的内嵌在监测终端的通信模块(通信终端)和基站组成，以基站为中心构成星形网络，矿井通信至少能达到2 km，通过设置若干LoRa通信基站，实现对巷道全覆盖通信。机车定位系统的数据通信节点不多，数据量小，时延不敏感，可采用私有通信协议保障通信安全有效。

LoRa通信基站和通信终端(内嵌在机车监测终端的通信模块)在硬件结构上基本类同，基站主要组成模块： MCU控制模块、远程无线通信模块、通信接口模块和系统电源模块等，系统总体架构与机车监测终端基本相似[12-13]。车载监测终端和通信基站采用星形网络拓扑结构，组成多对一的通信网络，通过布置通信基站的密度，使得监测终端同时与多基站通信，可大大提高通信的可靠性和有效性。通信平台的SX1278发送数据分2种情况：一是监测终端发数据，当RFID读写模块获取标签数据后向MCU发中断请求，在中断开放的情况下服务中断响应，读取到的标签信息被写入数据缓存区；二是通信基站发数据，待发送数据主要来自上层管理服务中心数据。SX1278在MCU控制下发送数据，通常情况下，SX1278处在等待模式，MCU通过SPI接口把待发送数据写入SX1278数据缓存器，待通信信道处于空闲时转入发送数据模式，立即发送数据。SX1278具有CAD信道自动检测能力，等待工作模式下定时启动CAD信道检测，对前导码进行匹配检查，当前导码关联计算成功，接收数据信息并发中断信号给MCU，MCU中断响应服务，完成数据的读取。基站工作流程如图5所示。矿井设备较多，各种机电和通信设备会产生种种干扰，无线通信环境比较复杂，要做到有效安全通信，SX1278发送数据时就要进行信道监测和避碰处理[12]。SX1278射频芯片物理层只具有单纯发送数据的功能，有数据就发，容易造成信道堵塞，发送效率低，为了提高通信效率，需要采用信道竟用机制来解决问题(如CSMA)。SX1278可采用多种方式实现信道竟用，通过对比分析和实际测试证明，利用信道信噪比值来监测信道状态十分有效，当信道被监测到碰撞时，采用随机时间退后机制来解决，通常设定时间窗口T，计算退避时间t=T×随机数，从而减少碰撞几率[13-14]。

通信协议是为了保障通信双方建立有效通信的规程，采用个性化设计通信协议，实现简化与有效通信。矿井机车定位的数据量较小，因此采用简化的通信协议，只定义了3种基本的帧结构：数据帧(DATA)、应答帧(ACK)和广播帧，帧结构分别见表1、表2所示，其中广播帧属于特殊的DATA帧。SX1278属于低速率通信技术，空中传输时间相对较长，不宜单帧通信数据量过大，规定有效负载最大为64 Byte[12,14]。由于各种可能的因素，SX1278本身不具备保证数据通信有效性的能力，为此，通过设计ACK帧，当接收方收到数据后回复ACK帧来确认，对于广播帧一般情况下不需回复。在发送数据情况下，为了有效通信，需要设计发送数据的最长确认时间T，当在T时间内未接收到确认帧，被认为接收失败而重发。通信过程中，回复ACK帧不进行信道检测，SX1278直接回复ACK帧。

图5 基站工作流程

表1 DATA帧

表2 ACK帧

4 应用系统设计与测试分析

4.1 应用系统设计

定位的矿井机车运行管理系统软件采用C/S和B/S相结合的理念设计，主要由5大模块组成：系统配置、定位和轨迹显示、安全预警、信息处理(报表处理)和信号机转辙机管理，处理系统结构如图6所示。数据库采用微软MS-SQL管理系统设计开发，构建数据库的各类表有：定位数据、标签标识、定位标签、配置参数、调度信息和报表等。整个应用软件的核心是定位解算和轨迹拟合显示，重点是基于优化算法的运输调度管理，通过定位数据获取、计算、显示以及事后的机车运输路径优化，实现矿井机车运输的安全高效[14-15]。

4.2 系统测试与分析

为了测试基于LoRa远程通信的机车定位效果，在某煤矿开展了静态和动态2种情况下的通信、定位功能测试。测试系统由1台机车监控终端、10个定位标签、1台通信基站和1台笔记本电脑组成，定位标签采用间隔5 m的方式安装在矿井顶部固定位置，机车监控终端安置在可运动的设备上，调试好标签与监控终端有效读写距离不大于5 m，监控终端速度不大于5 m/s，配置通信参数：工作频率433 MHz，带宽125 kHz、扩频因子9、编码率4/6、发射功率19 dBm。实测数据表明，监控终端以3.5 m/s运动情况下，通信距离超过0.65 km后(静态下1 km后)，数据包接收出现丢包，在1.5 km左右丢包率达35%(静态下2 km后超过35%)，采用数据接收确认机制确保了数据的可靠传输。机车定位精度依标签设置间隔，静态情况下，标签标识定位稳定可靠；动态情况下，偶见标签定位丢失现象，丢失率小于5%。综合上述，基于 LoRa通信的RFID机车定位可以满足矿井较大范围机车定位数据的远程通信，实现对矿井机车运行监控的实时定位[12,15]。

图6 应用系统模块结构

5 结论

长期以来，传统的“信集闭”系统是矿井机车运输管理的主要系统，但是随着采矿信息化和自动化的发展与融合，矿井机车管理有了更科学有效的解决方案，物联网技术在采矿领域的应用推动采矿业二化融合发展。采用RFID标识技术定位矿井机车是一项简约而实用的技术，基于nRF24LE1和nRF24L01+射频芯片设计RFID标识读写系统，利用LoRa无线远程通信系统平台，构建起井下巷道的机车定位监测应用系统，基于实时定位可实现对矿井机车的监管和调度，相比其他的定位系统，具有实用性高、成本低、可靠性高和可维修性好的特点。