基于LoRa技術的電纜隧道施工通信系統(tǒng)設計

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2106-5042-2295

摘? 要：為解決城市電纜隧道建設出現(xiàn)的通信問題，該文首先分析了目前的電纜隧道通信發(fā)展現(xiàn)狀，隨后對主要的通信方式優(yōu)缺點進行分析。針對隧道建設的通信要求，結合LoRa通信技術的優(yōu)點，該文提出了一種基于LoRa技術的電纜隧道施工通信解決方案。該方案通過LM400TU實現(xiàn)，可以降低遠距離通信時的功耗，以滿足隧道施工的長時間作業(yè);可實現(xiàn)廣播功能，管理平臺管理個人終端;同時增加了定位功能，由上位機顯示施工人員的相對位置。

關鍵詞：電纜隧道? ?LoRa? ?無線通信? ?LM400TU

中圖分類號：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）06（b）-0048-04

Design of Cable Tunnel Construction Communication System Based on LoRa Technology

QIU Jian

（Chongqing Power Transmission and Transformation Engineering Co.， Ltd.， Chongqing， 400039? China）

Abstract： In order to solve the communication problems in urban cable tunnel construction， this paper first analyzes the development status and technical overview of the current cable tunnel communication modes， and then analyzes the advantages and disadvantages of the main communication modes. According to the communication requirements of tunnel construction， combined with the advantages of LoRa communication technology， this paper puts forward a communication solution for cable tunnel construction based on LoRa technology. The scheme is realized by LM400TU， which can reduce the power consumption during long-distance communication， so as to meet the long-time operation of tunnel construction; it can realize broadcasting function， and the management platform can manage personal terminals; at the same time， the positioning function is added to display the relative position of construction personnel by the upper computer.

Key Words： Power cable tunnel; LoRa; Wireless communication; LM400TU

隨著城市的迅速發(fā)展，電力需求不斷增加，為了提高城市的美觀和節(jié)省地面資源，大量電纜將會埋入地下，因此需要建設大量電纜隧道。電纜隧道一般建設在地下幾米至幾十米，可長達2～3 km以上。電纜隧道建設避免了室外高壓線纜在極端惡劣天氣時發(fā)生安全事故的風險，從根本上解決電力線路外力破壞的問題^[1]。隧道施工過程中，施工人員需要隨時觀察工作面的山體變化、照明線路的破損狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時匯報，才能迅速撤離施工人員及工作機械，保證施工人員的安全。目前，隧道施工人員之間的通信主要依靠對講機，但距離較遠時只能接力式呼叫，給隧道建設帶來不便。雖然移動通信網絡在不斷完善，室外基站數量不斷增加，但是隧道、礦井內存在很多的移動通信盲區(qū)^[2]，且對講機信號無法穿透路面，地面人員難以做出及時的安全判斷。因此，隧道施工通信需要具備以下功能：遠距離傳輸以滿足工作人員的雙向通信;實現(xiàn)隧道內與隧道外的通信，一旦出現(xiàn)突發(fā)事件，隧道外管理平臺及時通知施工人員疏散撤離;實現(xiàn)對施工人員的定位，可以實現(xiàn)和施工人員的準確通信，并保證施工人員的安全。

為了滿足以上要求，設計一種適用于電纜隧道施工人員的通信方案，解決隧道施工通信不及時的問題，保證施工人員的安全。

1? 隧道通信技術發(fā)展現(xiàn)狀

電纜隧道的通信方式可以通過多種方式實現(xiàn)，但并沒有形成一套完整的、系統(tǒng)的解決方案。不同的應用需要不同的環(huán)境、網絡、硬件支持，這樣會導致通信系統(tǒng)的搭建變得更加繁瑣^[3]。目前隧道通信有以下幾種方式。

（1）采用布放音頻電纜，直接將系統(tǒng)電話延伸到電纜內，不需要單獨配置設備，造價低。但該方式受音頻電纜傳輸距離限制，而且只能夠進行一對一呼叫，不具備組呼、廣播、緊急呼叫等功能。

（2）采用移動網絡或無線對講的方式，具備使用便捷、組網靈活的特點。但這種通信技術存在通信距離受限、功耗大、成本高、無法泛組網等缺點，不能滿足隧道通信的需求^[4]。

（3）使用ZigBee進行自組網絡通信，能降低通信功耗，但受環(huán)境影響大，傳輸距離短，無法滿足隧道建設時的遠距離通信。

針對以上隧道通信方式的優(yōu)缺點，提出一種基于LoRa技術的電纜隧道通信方案。LoRa（Long Range Radio）是一種遠距離無線電、線性調頻擴頻的調制技術^[5-6]，由Semtech公司把這項技術封裝到芯片中，包括用于網關和終端的LoRa芯片。該擴頻技術是將0和1這種一位數據信號通過多個編碼信號表示，而編碼信號是具有不同初始頻率的線性調頻信號，稱為碼片。該線性調頻擴頻技術中，主要使用了3個參數：擴頻因子（SF）、信道帶寬、編碼率。一個數據信號由2SF個碼片表示，擴頻因子影響傳輸速率、誤碼率、抗干擾能力。信道帶寬指的是頻率的范圍，而編碼率是有效信息占的比例，可以提高接收的有效信噪比^[7]。

LoRa的優(yōu)勢為：可實現(xiàn)遠距離通訊，+22 dBm的功率放大器和超過-148 dBm的高靈敏度使得LoRa可以適應復雜的環(huán)境;通信頻段無需付費;低功耗，滿足在隧道施工時的長時間作業(yè)。

2? 電纜隧道通信系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體結構

基于LoRa無線技術的電纜隧道通信系統(tǒng)總體結構如圖1所示，系統(tǒng)主要由管理平臺、個人終端組成。

2.2 LM400TU模塊介紹

系統(tǒng)采用致遠電子研發(fā)的工業(yè)級LoRa組網透傳模塊LM400TU，該模塊使用飛思卡爾的KL26系列MCU搭載SX1278收發(fā)器，集成度高，便于二次開發(fā)。SX1278采用了軍用戰(zhàn)術通信系統(tǒng)的LoRa調制技術設計。相比傳統(tǒng)的窄帶調制技術，LM400TU模塊采用了擴頻調制技術，在抑制同頻干擾的性能方面也具有明顯優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)設計方案無法同時兼顧距離、抗擾和功耗的弊端。另外，芯片集成了+20dBm 的可調功率放大器，實際按照不同通道最大輸出功率+19 dBm到+18 dBm 之間，特別適合應用于遠距離傳輸且對可靠性要求極高的電纜隧道通信。LM400TU模塊具有的自組網功能，采用一主多從的星形網絡拓撲結構。通過WirelessCfg配置工具實現(xiàn)對模塊的永久參數配置，例如工作模式、數據是否包括地址、自組網命令配置等。

2.3 系統(tǒng)各部分功能

2.3.1 管理平臺

管理平臺由LM400TU主機、上位機顯示、語音采集、語音播放組成。管理平臺的LM400TU模塊設置為主機模式，作為一個指揮中心接收各從機的數據并通過串口發(fā)送到上位機。上位機對所接收到的位置信息進行處理，然后顯示施工人員的位置。如果管理人員需要對施工人員下發(fā)任務、傳達危險信號、與施工人員通信時，可利用VS1053做語音的編碼和解碼，實現(xiàn)語音的采集及播放功能。語音信息采集之后，與LM400TU進行通訊，利用LoRa調制技術將語音信號傳達給各施工人員。如果主機接收到從機的語音信號，主機作為一個廣播臺，再把這個語音信號通過LoRa發(fā)送給各個從機，實現(xiàn)一對多通信的功能。

2.3.2 個人終端

個人終端是施工人員使用的通信工具，個人終端和管理平臺的主機類似，利用LM400TU和VS1053實現(xiàn)語音信號的采集和播放。但是在對個人終端配置時，需要把LM400TU配置為單播模式，并開啟自組網功能，節(jié)點類型設置為從機。當從機入網之后，就可以和主機進行通訊，同時增加顯示屏和按鍵，使得施工人員的通信不局限于語音，還可以通過按鍵實現(xiàn)文字交流，發(fā)送關鍵數據。

2.4 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計主要包括主機、從機、上位機3部分，包含數據采集處理，傳送數據編解碼，位置信息計算及顯示。LM400TU基于AMetal平臺可以快速實現(xiàn)二次開發(fā)，采用面向對象的C語言編程方式。

2.4.1 主機程序設計

主機功能是通過上位機指令管理LoRa無線網絡、收集從機數據、間斷發(fā)送數據信號到從機并進行距離計算。流程圖如圖2所示。

當自組網完成后，每個從機都分配了一個唯一的本地網絡地址，把網絡地址通過串口發(fā)送給上位機進行存儲，便于對各個從機進行操作。程序首先需要對串口、IO口等需要用到的外設進行初始化。

施工人員位置計算原理是：通過計算數據信號在一對收發(fā)機之間往返的傳輸時間來測量兩點間的距離。把主機發(fā)送數據信號和接收端應答信號的時間間隔記為Tt，從機接收主機的數據信號到發(fā)出應答信號的時間間隔記為Tr，則單向數據傳輸時間T可由下式計算得出^[8]。

則施工人員距離管理平臺的距離d=c×T，其中c表示電磁波傳播速度。

當主機發(fā)出數據信號時打開定時器，收到應答信號時關閉定時器，取出主機定時器的時間Tt。當從機接收到主機的數據信號時打開定時器，從機做出的應答信號就是從機定時器的時間Tr，這時主機通過這兩個時間數據實現(xiàn)距離的計算。只有當主機處于空閑狀態(tài)時，才會發(fā)送數據信號，當施工人員在進行通信的時候，系統(tǒng)不會發(fā)送數據信號。

當主機接收到帶有源地址的LoRa信號時，通過搭載的SX1278進行信號的解碼，主機將該數據信號進行分析。如果得到的是從機應答信號，系統(tǒng)進入距離計算子程序，將距離計算結果及源地址信息通過串口發(fā)送給上位機顯示。如果得到的是語音信息，通過LM400TU模塊的ANT管腳發(fā)送給各個從機，通過轉發(fā)的形式，實現(xiàn)一對多通信。

2.4.2 從機程序設計

每個從機的程序設計相同，主要功能是實現(xiàn)LoRa無線信號的解碼與編碼，與VS1053進行通信。在LM400TU從機模塊中對主機數據信號進行應答，向主機發(fā)送應答時間。無論是主機還是從機，都需要對VS1053進行配置。首先是設置SCI_MODE寄存器的2、12、14位，激活PCM錄音。設置SCI_AICTRL0，即設置采樣率，其他寄存器如何設置可以參考數據手冊。VS的PCM錄音需要通過軟件加載patch，修復錄音BUG。需要注意的是，文件創(chuàng)建之后必須調用f_close，文件才會真正地體現(xiàn)在文件系統(tǒng)中。

2.4.3 上位機程序設計

上位機在VS平臺中通過C#實現(xiàn)，功能主要包括顯示施工人員的位置、顯示每個個人終端的在線狀況、顯示施工人員發(fā)送的文字信息。前面提到，主機會把距離的計算結果及源地址發(fā)送給上位機，上位機將得到的數據在上位機界面顯示出來。

3? 結語

基于LoRa技術的電纜隧道施工通信系統(tǒng)，利用致遠電子的LM400TU模塊，集成MCU處理器和LoRa信號收發(fā)器SX1278，解決了隧道通信傳輸距離不夠，功耗大的問題，同時可以對施工人員進行定位，出現(xiàn)突發(fā)事故時及時通知施工人員，確保施工安全。如果隧道不是直線，僅使用一個主機定位不太理想時，可以增加一個測量方向。

參考文獻

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作者簡介：邱?。?984—），男，本科，工程師，研究方向為變電站設備診斷與工程管理。