0 引言
煤矿企业采用大量监控系统实时监测煤矿井下气体浓度、机电设备状态等参数，为煤矿安全提供保障[1]。监控终端作为煤矿监控系统的核心设备之一，可感知煤矿井下各类参数并通过基站实时发送至信息处理中心，同时可接收信息处理中心下发的各种控制信息，对受控设备执行控制功能。监控终端采用有线通信时存在布置不灵活、抗损性差、成本高和维护困难等问题，采用WiFi、ZigBee、漏泄电缆等无线通信时存在通信距离短、功耗大、穿透能力弱等缺点[2-3]。鉴此，本文基于远程通信组网用无线射频芯片SX1278，设计了一种煤矿井下远程监控终端，具有功耗低、通信距离远、传输可靠、通用性好、成本低的特点。
1 监控终端组成
煤矿井下远程监控终端主要包括MCU、传感器、无线通信模块、电源模块，如图1所示。监控终端采用定时唤醒工作模式，MCU通过UART接口获得传感器感知信息，通过SPI接口控制无线通信模块进入等待模式，将感知信息发送给无线通信模块，在信道检测空闲时无线通信模块立即发送信息。通常无线通信模块处在等待模式，定时启动信道检测模式，及时接收信息处理中心下发的控制信息，一旦接收完控制信息就向MCU发出中断请求，MCU立即响应中断并读取控制信息，依据控制信息完成控制或配置功能[4]。
图1 煤矿井下远程监控终端组成
Fig.1 Composition of remote monitoring terminal in coal mine underground
MCU采用基于ARM Comtex-M3内核的STM32F103ZET，支持等待、睡眠和停止3种低功耗模式[5]。传感器采用成熟的插入式标准化模块，将模块安装在监控终端内部插座上，实现通用化灵活配置。无线通信模块由SX1278、TCXO(Temperature Compensated Xtal (Crystal) Oscillator，温度补偿晶体振荡器)、射频切换电路组成。SX1278是一款远程通信组网用无线射频芯片，具有功耗低、通信距离远、成本低、传输速率低、抗干扰性好、穿透能力强的特点；TCXO为SX1278提供精确时钟；射频切换电路负责SX1278半双工通信模式切换。SX1278在睡眠模式下，MCU对SX1278配置寄存器RegOpMode进行设置，使SX1278工作在LoRa调制模式；MCU通过SPI接口对SX1278的配置寄存器、状态寄存器和FIFO缓存器进行读写操作来完成控制。电源模块采用高能锂电池、高效率开关稳压器MP2359和AMS1117为各器件供电[6-7]。
2 监控终端关键技术
2.1 低功耗
监控终端的核心是MCU和无线通信模块，通常情况下均处在等待和睡眠低功耗模式[8]。MCU按设定的采样周期定时转换至工作模式，采集传感器获得的信息，信息经适当处理后立即写入SX1278的FIFO缓存器，MCU自动转入低功耗模式；当SX1278接收到信息时，向MCU发送中断请求，MCU读取SX1278状态寄存器数据，转入中断服务，然后进入低功耗模式。采用信道检测和速率自适应技术来降低SX1278在发送与接收状态下的功耗：信道检测采用前导码定时检测，保证数据及时接收；速率自适应即依据通信距离自动调整传输速率，近距离通信时提高传输速率，从而降低传输时间来降低功耗，远距离通信时降低传输速率来实现低功耗。为进一步降低监控终端功耗，通过MCU对传感器供电进行通断控制(定时采集数据时对传感器供电)，减少传感器功耗[9]。
2.2 信道检测与碰撞避让
煤矿监控终端应用环境中无线信号复杂，SX1278采用非授权工作频段433 MHz，监控系统本身又有一定数量的监控终端同时工作，无线通信信道存在冲突不可避免。为保证监控系统无线通信正常有效，必须在数据链路层进行信道检测和碰撞避让[10-11]。
由于433 MHz无线信道是非授权频段，存在同频干扰的可能，通过检测无线接收信号强度无法准确检测信道；使用信道活动检测器可检测无线信道上的LoRa前导码，但没有检测到LoRa前导码不代表信道中没有信号。通过反复试验，利用信噪比检测信道效果较好。SX1278的RegPktSnrValue寄存器存储接收信号的信噪比，MCU通过SPI接口设置该寄存器地址为0X19，可获得寄存器中的信噪比，如果信噪比在-20～-5 dB之间，则确认信道忙，否则信道空闲。
当监控终端检测到信道忙时，需要解决碰撞问题。碰撞避让采用时间随机退后检测方法，利用随机函数rand()产生0～1之间的随机数，获得一定范围内的退避时间(如0～500 ms)，但由于rand()是一个伪随机函数，极易产生随机数一样的现象，所以采用随机数初始化函数srand((unsigned)time(NULL))产生随机数种子，再用rand()生成随机数，确保有效的碰撞避让[12]。
2.3 数据发送与接收
一般感知信息的采样频率较低(若干分钟1次)，监控终端利用MCU的定时器定时采集数据。数据采集完成后，MCU唤醒SX1278进入等待模式，将数据写入SX1278的FIFO缓存器中，开始基于信噪比的信道检测，当发现信道空闲时，控制SX1278进入数据发送模式，完成数据发送后SX1278转入其他工作模式。监控终端发送数据流程如图2所示。
图2 监控终端发送数据流程
Fig.2 Flow of monitoring terminal sending data
监控终端要接收来自信息处理中心下发的控制信息和基站发送的确认信息，采用基于信道活动检测器的信道检测方法来保证数据安全接收。SX1278定时唤醒进入信道检测模式，在规定时间内没有检测到LoRa前导码(或LoRa前导码关联不成功)则转入等待模式；一旦检测到LoRa前导码，接收LoRa前导码进行关联成功后，进入数据接收模式；根据接收数据中的地址字段进行地址匹配，如果地址匹配成功，则继续接收后续数据，完成数据接收，否则进入等待模式。监控终端接收数据流程如图3所示。
2.4 应用层通信协议
SX1278采用显式和隐式2种LoRa数据包格式，由前导码、可选报头、数据有效负载和CRC组成[13-14]，见表1。LoRa数据包没有实现上层通信协议的功能，因此需要重新设计应用层数据帧结构，包括帧控制、帧序号、目的地址、源地址、有效负载和CRC，见表2。帧控制用来确定接收数据是否需要 进行回复确认，如广播帧不需要回复确认，数据帧需要回复确认；帧序号用于记录数据帧的序列；目的地址和源地址分别表示数据接收设备和发送设备的逻辑地址；数据有效负载指通信的实体信息[15]。
图3 监控终端接收数据流程
Fig.3 Flow of monitoring terminal receiving data
表1 LoRa数据包格式
Table 1 LoRa data packet format
表2 应用层数据帧结构
Table 2 Data frame structure of application layer
监控终端在发送数据时，不能保证所发数据能有效接收，因此需要在应用层设计确认帧来确认数据是否接收。确认帧包括帧控制、帧序号和CRC，见表3。监控终端发送数据后，在给定时间内收到确认帧不需回复，否则重发数据。监控终端接收到数据时，不进行信道检测，立即回复确认帧，可有效提高信道效率。
表3 确认帧结构
Table 3 Acknowledgement frame structure
3 监控终端测试
为测试监控终端的通信效果和功耗，采用2台监控终端和1台基站组成简易星形网络，利用串口调试助手模拟传感器数据的采集和发送，在基站用串口调试助手接收数据并显示。通信参数设置：带宽为125 kHz，扩频因子为9，编码率为4/6，发射功率为19 dB·m。以100个数据包为1组，采用分组发送数据包方式进行通信测试，数据见表4。配置温湿度传感器进行功耗测试，采集频率为1次/min，利用Keithey2700数据采集仪测量监控终端工作电流，数据见表5。
表4 通信测试数据
Table 4 Communication test data
表5 功耗测试数据
Table 5 Power consumption test data
从表4可看出，测试距离小于1.8 km时丢包率不大于4%，通信稳定、可靠。从表5可看出，监控终端在不同工作模式下电流不同，粗略计算平均工作电流约为0.058 mA，若采用1 350 mA·h的电池，理想状态下监控终端能正常工作970 d左右。
4 结语
提出了一种煤矿井下远程监控终端设计方案。基于核心处理器STM32F103ZET和无线射频芯片SX1278进行低功耗和无线通信设计；利用信噪比检测信道状态，并采用随机时间退后检测方法避免信道碰撞；通过设计应用层自定义通信协议，保障数据收发的安全性。测试结果表明，监控终端在1.8 km通信距离内丢包率不大于4%，平均工作电流约为0.058 mA，适用于煤矿远距离、低功耗的数据组网传输。
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