LoRa技术在矿井无线通信中的应用分析.pdf

第 4 3 卷 第 1 O期 2 0 1 7年 1 0月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 ． 43 No ． 1 O oc t ． 2 O 1 7 i分析 研 究 ．⋯ ． ．⋯ ．1 ，◆ 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 0 0 0 3 4 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 7 ． 1 0 ． 0 0 6 L o R a技术在矿井无线通信中的应用分析 霍振 龙 。 1 ． 中煤科 工 集 团常州 研究 院有 限公 司 ，江苏 常 州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天 地 常州 自动 化股 份有 限公 司 ， 江 苏 常 州 2 1 3 0 1 5 摘 要 针 对现 有矿 井无 线通 信 系统在 上 隅 角等 环境 恶劣 、 数据 传输 速 率要 求不 高的 区域 应 用效果 不理 想 的状 况 ， 通过 分析 L o Ra 技 术特 点 ， 提 出 了将 L o R a技 术应 用 于矿 井无 线 通信 的 方案 ， 分 析 了其 应 用 架构 ， 并 讨论 了 L o R a技术在煤矿井下的适用场景 工作面设备运行状态数据和环境参数无线传输 ， 矿压监测 系统 多 种传感器数据、 工作面上隅角瓦斯监测传感器数据 、 采空 区测温传感器数据等的无线传输 ， 矿 井机电设备监 测数 据 无 线传输 。 关 键词 矿 井无 线通信 ；传感 器数 据传 输 ；L o R a 技 术 ； 矿 压监 测 ； 上 隅 角瓦斯 监 测 ；采 空 区温度 监 测 ； 机 电设 备监 测 中图分类 号 T D6 5 5 文献 标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 7 0 9 2 7 1 4 0 6 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 9 2 7 ． 1 4 0 6 ． 0 0 6 ． h t ml Ap pl i c a t i o n a n a l ys i s o f Lo Ra t e c hn o l o g y i n mi n e wi r e l e s s c o mmu ni c a t i o n HU O Zhe n l on g ， 。 1． CCTEG Cha ngz ho u Re s e a r c h I ns t i t ut e ，Ch a ng z h ou 2 1 3 01 5，Ch i na； 2 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co． ，Lt d． ，C h a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r s t a t u s t ha t e xi s t i ng mi ne wi r e l e s s c o m mun i c a t i o n s y s t e m s ha d po or a pp l i c a t i o n e f f e c t i n a r e a s wi t h s e v e r e e nv i r o nme n t a nd l o w s pe e d r e q ui r e m e nt o f da t a t r a ns m i s s i on s uc h a s t op c or n e r ， a s c he me o f a pp l y i n g LoRa t e c h no l og y i n mi ne wi r e l e s s c o mm un i c a t i o n wa s p r op os e d t hr o ug h a n a l y z i n g i t s t e c hni c a l c ha r a c t e r i s t i c s ． A p pl i c a t i on a r c hi t e c t ur e of LoRa t e c hn ol o g y i n c oa l mi ne wa s a na l y z e d， a n d a pp l i c a t i o n s i t u a t i ons we r e di s c u s s e d．Lo Ra t e c hn ol o gy c a n wi r e l e s s l y t r a ns mi t e q ui p m e nt o pe r a t i o n s t a t us da t a a nd e n v i r o n m e n t a l p a r a me t e r s i n wor k i ng f a c e，m u l t i s e ns or d a t a i n mi n e pr e s s ur e m o ni t or i n g s ys t e m ， ga s s e n s o r d a t a i n t o p c o r ne r o f wor k i ng f a c e，t e m p e r a t u r e s e ns o r d a t a i n go a l ，m o ni t o r i n g da t a o f mi ne u s e d e l e c t r o m e c ha ni c a 1 e qu i p m e n t ，e t c． Ke y wo r d s mi n e wi r e l e s s c o mm un i c a t i o n；s e ns o r da t a t r a n s m i s s i on；Lo Ra t e c hn ol o g y；mi ne pr e s s u r e m o ni t or i n g； ga s m o ni t or i n g i n t op c o r ne r；t e m p e r a t u r e moni t o r i ng i n g o a f ； e l e c t r o m e c ha ni c a l e qu i p m e n t m o ni t o r i ng 收稿 日期 2 O 1 7 0 7 0 5 ； 修回 日期 2 0 1 7 0 8 2 2； 责任编辑 李 明。 基金项 目 国家重点研发计划资助项 目 2 0 1 6 YF C 0 8 0 1 4 0 5 。 作者简 介 霍振龙 1 9 6 5 一 ， 男 ， 江苏常熟人 ， 研究员 ， 硕士 ， 主要从事煤矿通信 、 矿井 人员定位等技术的研发工作 ， E - ma i l h z l c a r 1 ． c o m． c n 。 引用格 式 霍振龙． L o Ra 技术在矿井无线通信 中的应用分析I- j ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 0 3 4 - 3 7 ． HUO Z h e n l o n g ． Ap p l i c a t i o n a n a l y s i s o f L o Ra t e c h n o l o g y i n mi n e w i r e l e s s c o mmu n i c a t i o n i, J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 7 4 3 1 0 3 4 3 7 ． 2 0 1 7年第 1 O期 霍振龙 L o R a 技术在矿井无线通信 中的应用分析 3 5 0 引 言 现有的矿井无线通信技术主要包括漏泄通信、 中 频 、 小 灵 通 、 C DMA2 0 0 0 、 Wi F i 、 T DS C D MA、 wC DMA等。基于上 述技术 的矿井无线通信 系统 和产品已应用于矿井语音调度 、 斜井绞车视频监控、 机 车 运输 调度 、 巡 检 员 等 流 动作 业 人 员 之 间及 其 与 调 度 员之 间 的信号 联络 、 移 动设 备数 据采 集 等 ， 无 线 性 能 和覆 盖范 围相 对稳 定 ， 系统 整体 可靠 性 高 ， 但存 在安装要求相对复杂、 设备功耗大等问题 。现有矿 井无线通信系统的应用基本满足 了矿井安全生产的 无线通信需求 ， 实现了矿井巷道等大多数区域的网 络覆盖l 1 ] 。但受通信距 离、 功耗、 接人点数量等 因 素影响 ， 在上 隅角等环境相对恶劣、 数据传输速率要 求不高的区域 ， 现有矿井无线通信技术应用效果不 理想 。 L o R a L o n g Ra n g e ， 超长距低功耗数据传输技 术 是 L P WA L o w P o we r W i d e Ar e a ， 低 功 耗广 域 技术的代表 ， 为物联网的低速率 、 低功耗 、 远距离 、 多 连 接 应用 而设 计 ， 在地 面 已成功 应用 于远 程 抄表 、 资 产跟踪、 智 能停车 、 智慧社 区、 智 慧农业 等领域[ 4 ] 。 本文分析了 L o Ra 技术特点 ， 提出了与 L o R a技术相 吻合的矿井无线通信应用场合和系统 设备 ， 以期 为 矿井 无线 应 用提 供新 的选 择 。 1 L o R a 技 术 特点 1 覆盖 广 ， 功耗 低 。L o R a技术 使 用线 性 调频 扩频调制技术 ， 既保持 了类似频移键控调制方式 的 低功耗特性 ， 又明显提高 了通信距离 ； 链路预算高达 1 5 7 d B， 通信距 离达 1 5 k m 与环境 有关 ； 支持 睡 眠 、 待机、 发送 、 接 收等低 功耗模式 ， 接收 电流仅为 1 0 mA， 睡 眠 电流为 2 0 0 n A_ 4 J 。 2 容 量大 。L o R a 技 术基 于扩 频 调 制 ， 不 同扩 频序列终端的信号彼此正交 ， 即使 采用相 同的频率 同时发送数据也不会相互干扰。基于 L o Ra 技术 的 网关利用该特性 ， 可在 同一时间、 相同信道上并行接 收并 处理 多个 节点 的数 据 ， 大 大扩展 了系统容 量 ， 在 1 k b i t ／ s 速率下可覆盖 5 0 0 0多用户的小区。 3 抗扰 特 性强 ， 数据 传输 更 可 靠 。L o R a技 术 采用前 向纠错技术 ， 在待传输数据序列 中增加了冗 余信息， 在接收端会及时纠正数据传输进程 中注入 的错误码元 ； 采用信道冲突检测机制 ， 解决 了节点数 据并发丢包问题 ， 极大提高了链路鲁棒性 。 4 支 持 测 距 和 定 位 。基 于 终 端 和集 中 器／ 网 关的 L o Ra 无线通信 系统对距离 的测量基于信号的 空 中传输 时 间来完 成 ， 而 定 位则 基 于 多 点 网关 对 一 点 节点 的空中传输时间差测量来实现。 2 L o R a 技 术在 矿 井无 线通信 中的应用 架构 L o R a 技 术在 矿井 无 线 通 信 中 的应 用 架 构包 括 终 端 内置 L o Ra 模 块 ， 可 以是 监 测设 备 状态 或环 境 参 数 的无 线 传 感 器 、 动 目标 标 志 卡 等 、 网关 或 基 站 、 服 务器 、 业务 应用 端 4个部 分 ， 如 图 1所示 。终 端主要负责接收现场信息 ， 包括环境参数 、 设备状态 等 。网关主要负责 L o R a技术协议L o Ra wAN 与 TC P ／ I P协议之 间的转换 ， 实 现信号统一传 输。 服务器和业务应用端共 同实现具体业务 ， 如矿压监 测 、 环境监 测 等_ 5 ] 。 I 矿压监测l l 环境监测l ⋯ I 设备监测I } { } 服务器 C l i e n t ／ S e r v e r ,We b S e rvi c e ，C O M／ D C O M } ， { ； ， 协 议 的 井 下 主 干 i 、 ＼、 业以 太网 、 环网 一 一 ／ }T C P ／ I P I 以 太 网 ／ L o R a 网 关 、 分 站l } L o R a W A N 终端 支持L o R a 规范的设备 图 1 L o Ra技 术在 矿井 无 线 通信 中 的 应 用 架 构 F i g ． 1 Ap p l i c a t i o n a r c h i t e c t u r e o f Lo Ra t e c h n o l o g y i n mi n e wi r e l e s s c ommu ni c a t i on L o R a WAN 网络架 构 是 典 型 的星 形 拓扑 结 构 ， 其 中 网关 是一 个透 明 的 中继 ， 可 实现 与终端 的 L o Ra 数据通信、 与服务器 的 I P数据通信 ， 以及通信数据 在 L o R a WAN 协 议 与 T C P ／ I P协议 间 的相互 转换 。 所有节点均为双向通信 ， 网关和终端间以星形网方 式 组 网 。网关 可实 现 多 通 道并 行 接 收 ， 同时 处 理 多 路 信 号 。在 一 些 特 殊 场 合 ， L o R a技 术 的应 用 相对 简单 ， 如手持终端和设备间的信息交互、 监测站等设 备 的无线设置等， 只需实现短距离双向通信即可。 网关 由 电源模 块 、 MC U、 L o Ra模 块 、 以太 网控 制器和其 他接 口电路 根据 实 际需要 可实现 3 G／ 4 G， C AN， R 4 8 5 等 接 口功能 组成 ， 如 图 2 所 示 。 3 L o Ra 技 术在 矿井 无线 通信 中的具 体应 用 1 工作面低速数据无线传输 。L o R a具备超 强的链 路预 算。以基 于 L o R a技 术研 发 的 An g e l B l o c k s 为例， 其发射功率为1 0 0 mw 2 O d B m ， 接 收端灵敏 度为 一1 2 9 d B m， 总的链 路预算 为1 4 9 d B 。 3 6 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 图 2网关 组 成 Fi g ．2 Ga t e way c o ns t i t ut i on 相 比 较 而 言 ，G F S K Ga u s s F r e q u e n c y S h i f t Ke y i n g ， 高斯 频 移 键 控 无 线 技 术 的灵 敏 度 一 般 为 一 1 1 0 d B m， 功 率达 到 5 W 3 7 d B m 时才 具 有 与 L o R a技术相同的链路预算。 矿井工作面空间狭小 ， 设备较多 ， 尤其是支架 、 采煤机等大 型金 属物体对无线信号 的传 输影 响较 大 ， 无线信号在巷道内传输 3 0 0 m 的效果与工作面 内传输 3 0 1 T I 时类似 。与 GF S K 技术相 比， 采用 同 样 的发射 功 率时 ， L o R a技术 的传 输距 离 可 提 高 7 ～ 1 0倍 ， 覆 盖 面积 扩 大 5 O ～1 0 0倍 。 因此 L o Ra技术 更适 用 于 传 输 工 作 面 设 备 运 行 状 态 数 据 和 环 境 参数 。 2 矿压监测系统 中多种传 感器数 据无线传 输 。矿压 监 测系 统 主要 由地 面 中心 站 监控 主机 、 通 信适配器 、 矿用隔爆兼本质安全型电源箱 、 井下监控 基 站 、 无 线 数 据 收 发 机 、 矿 用 本 质 安 全 型 数 字 压 力 计 、 围岩 移动 传感 器 、 锚 杆 索 应 力 计 、 钻 孔 数 字 压 力计 等 构 成 l 9 ] 。该 系 统 的 监 测 数 据 大 多 为 缓 变 数 据 ， 数据 量小 ， 采 样 间 隔相 对 较 长 ， 因此 传 感 器 可 间 歇 工作 ， 加上 传感 器 布 设 环 境 复 杂 ， 线 路 铺设 困难 ， 宜采用无线传输方式。L o Ra技术采用 星形 网络架 构 ， 且具 有 低速 率 、 多 连接 、 低 功耗 等特 点 ， 能 够很 好 地满足矿压监测系统数据无线传输要求 。 3 工作面上隅角瓦斯监测传感器数据无线传 输 。上 隅角 位 于采 煤 工作 面 的 回风 侧 ， 同时 靠 近 回 风 巷上 帮和 采空 区边 缘 的三角 地带 ， 通 风状况 较 差 ， 温 湿度 较高 ， 容 易积 聚 采 空 区和采 煤 工作 面 交 汇 释 放 的 瓦斯 。如何 检 测 上 隅 角 瓦斯 浓 度 ， 防止 瓦 斯 浓 度 超 限 ， 一 直是 煤 矿 瓦 斯 治理 的重 点 和 难 点 。 由于 上隅角位置 的特殊性 ， 无法在现场铺设电缆 ， 所以瓦 斯监测 传感 器 只 能采 取 电池 供 电和 无 线 传输 方 式 _ 1 ” ] 。与 GF S K技 术 相 比， 在 配 备 相 同容 量 电池 的情况下 ， 基于 L o Ra技术的传感器连续工作时 问 更 长 、 数据 传输 更可 靠 。 4 采 空 区测 温 传 感 器 数 据 无 线 传 输 。利 用 L o Ra 技 术低 功耗 、 长 距 离 和 多连 接 的特 点 ， 研 究 适 合 采 空 区使 用 的无 线 测 温 传感 器 ， 实 时监 测 采 空 区 温 度变化 ， 对 温度 异 常 区域 迅速 作 出应 急 反 应 。与 现 有 的光 纤 测 温 方法 相 比 ， 基 于 L o R a技 术 的无 线 测温传感器测点布置更加灵活 ， 但其采用 电池供 电 方 式 ， 工 作 时间受 限 ， 难 以满 足采 空 区较长 的监测 时 间要求 ， 整 体功耗 有待 进一 步 降低 I l 。 5 矿井机 电设 备监 测数 据无 线 传 输 。井下 变 电所 、 绞车 房 、 泵 房 等 区域 的机 电设 备相 对 集 中 ， 设 备与数 据 监测站 之 间 、 设 备 与手 持 设 备 之 间 数据 交 互信息量少 ， 且实时性要求不高口 。采用 L o R a技 术对这些区域设备的监测数据进行无线传输 ， 可以 省略设 备 布线 ， 方 便 用 户使 用 。另外 ， L o Ra技术 的 测距 和定 位功 能可 对 井 下设 备 进 行 位 置监 测 ， 实现 对设 备 的间接 管理 。 4 结语 L o R a技术在低速数据 的无线传输方面具备长 距离 、 低功 耗 、 多连 接 等 优 点 ， 在 工作 面 等 场 合 和矿 压监 测等 系统 中具 有 较 好 的应 用 前 景 ， 但 不 适 用 于 数据 传输 速度 要求 快 、 带 宽要 求高 、 实 时性要求 强 的 场合 ， 如井下音视频系统等。另外 ， L o R a技术在缺 乏其他技术辅助的情况下， 其定位精度较低 ， 在矿井 精确定位 中的应用没有明显优势 。 参考文献 R e f e r e n c e s [1 ] 孙 继 平． 矿 井通 信 技术 与系 统 [ J ] ． 煤 炭科 学 技 术 ， 2 O 1 O ， 3 8 1 2 1 3 ． S UN J i p i n g ．Mi n e c o mmu n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n d s y s t e m [ J ] ．C o a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，2 0 1 0 ， 3 8 1 2 1 - 3 ． [2] 樊荣 ， 宋 文 ， 黄强． 矿井 无线 通信 系统研究 与发 展[ J ] ． 西安科技大学学报 ， 2 0 1 0 ， 3 0 4 4 7 卜4 7 4 ． FAN Ro n g， S ONG We n，HUANG Qi a n g ．Re s e a r c h a n d de v e l o pme nt o f mi ne r a di o c o mmun i c a t i o n s ys t e m [ J ] ．J o u r n a l o f X i a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， 2 0 1 0， 3 0 4 4 7 i - 4 7 4 ． [3] 张 申． 煤 矿井 下移动通 信系统及 其发展 趋势 E c ] ／ ／ 第 1 9届全 国煤矿 自动化与信息化学术 会议 暨中 国矿业 大学 I L 京 百 年校 庆 学术 会议 论 文集 ， 北 京 ， 2 0 0 9 1 63 16 9． [ 4] c 1 1 4中国通信 网． 想快速全面 了解 L o R a [ E B ／ 0L ] ． 2 0 1 6 - 0 7 2 5 [ 2 0 1 7 0 6 1 0 ] ． h t t p ／ ／ www ． c 1 1 4 ． n e t ／ t e c h ／ 3 2 ／ c 1 8 2 3 2 ． h t m1 ． [5] 孙继平． 煤矿信息化与 自动化发展趋势 [ 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定性 影 响逐 渐减 小 。 关 键 词 煤 炭 开采 ；顶板稳 定性 ；可拓 学物 元理 论 ； 灰 色关联 度 法；断 裂分 维值 ；硬 岩 比例 系数 ；直 接 顶 强度 系数 中图分 类号 TD 3 2 2 文献标 志 码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 7 0 9 2 7 1 4 1 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 9 2 7 ． 1 4 1 5 ． 0 0 7 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 7 0 3 2 0 ； 修 回日期 2 0 1 7 0 7 2 0 ； 责任编 辑 张强 。 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 4 1 4 7 2 2 3 5 ； 安徽省高等学校省级 自然科学研究 重大项 目 K J 2 0 1 4 Z D1 1 。 作者简介 张宇通 1 9 9 1 一 ， 男 ， 山西长治人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为水文地质与工程地质， E ma i l 1 1 7 4 4 8 0 1 4 2 q q ． t o m。 引用格式 张字通 ， 刘启蒙 ， 蔡梦雅 ， 等． 潘谢外围 3 煤 层顶板稳定性分析 f J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 O 3 7 4 2 ． z HANG Yu t o n g ，L I U Q i me n g ， C AI Me n g y a ， e t a 1 ．Ro o f s t a b i l i t y a n a l y s i s i n N o ． 3 c o a l s e a m o f P a n x i e p e r i p h e r a l [ J ] ． I n d u s t r y a n d M i n e Aut o ma t i o n， 2 0 1 7。 4 3 1 0 3 7 4 2 ． [ 6] [ 7] [ 8] [9] E l 0 ] 陈鸿杰． 物联网在煤矿安全生产应用 中监 测与控制技 术研究[ D] ． 西安 西安 电子科 技大学 ， 2 0 1 4 ． 孙继平． 煤 矿物联 网特点与关键技术 研究[ J ] ． 煤炭学 报 ， 2 0 1 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