基于SX1278的矿用低速远程监控通信平台研究

张 新

(绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000)

监控通信平台是矿山企业各类监控系统的核心设备，也是监控数据的传输通道[1]。目前，矿用监控系统主要采用WiFi、ZigBee、泄漏电缆等无线通信技术，WiFi的通信距离短(100 m左右)、功耗大、成本高、穿透能力弱；ZigBee通信距离短(几十米)、组网复杂、穿透性差；泄漏电缆通信距离也不远、布设困难、成本高、能耗大。有线通信设备安装布置不灵活、抗损性差、成本高且维护困难[2]。SX1278是一款新型的远程通信组网用无线射频芯片，其具有低功耗、远距离、低成本、低速率和大范围组网的特点，并且具备抗干扰性好、穿透能力强的优势。笔者提出基于SX1278芯片作为远程通信模块，结合低功耗MCU设计矿用监控通信平台，通过设计私有通信协议，解决无线信道冲突与避碰问题，实现终端与基站间双向有效通信，完成实时感知和执行控制。该通信平台具有通用性好、通信距离远、成本低、安装灵活、使用方便的优势。

1 监控通信平台

监控通信平台由基站和若干监控终端组成(统称通信设备)，构建起一个星形低速通信传输网络。通信平台承担监控终端所采集的信息(或执行控制)和传输应用系统发送的控制与管理信息等重任，并要为在矿井复杂环境下各类参数的监测与控制提供可靠的技术基础。监控通信平台系统架构如图1 所示[3-4]。

图1 监控通信平台架构

监控通信平台是矿用作业环境感知设备(或执行组件)和信息处理中心之间的信息传输“公路”，监控终端一般外接各类传感器和被控制设备，通过传感器感知矿井环境的各类参数，借助于通信平台把采集到的信息通过基站实时完整地发送给信息处理中心，同时按照接收信息处理中心下发的各种控制信息对受控设备实施控制。监控终端在MCU定时控制下通过UART接口采集感知信息，基站接收上位机发来的控制信息，这些待发送信息在SX1278等待模式下被写入SX1278FIFO缓存器，SX1278检测无线信道，当空闲时，转入发送模式发出数据。终端和基站的无线通信模块(SX1278)通常处在等待模式，可定时启动CAD信道检测模式，当检测到前导码并关联成功后，转入接收模式接收信息，一旦接收完信息就向MCU发出中断请求，MCU立即响应中断服务读取信息[5]。

2 硬件设计

基站与终端是通信平台的主体，这2种设备的硬件设计类似，均采用了STM32F103ZET(MCU)处理器和SX1278无线通信模块。监控终端主要包括传感器(或执行单元)、MCU、通信模块(SX1278)、RS232通信模块和电源模块等，可以灵活配置成具有感知能力或执行能力的二类设备；基站硬件模块类似终端，少了感知和执行组件。通信设备模块架构如图2所示，其中虚线部分为终端独有。监控终端的传感器(或执行单元)根据需要而定，一般采用成熟的数字式标准化模块，如温度传感器、加速度传感器、瓦斯传感器等[6]。感知和执行模块通过UART接口与MCU通信，实现模块之间的双向通信。

图2 通信设备(终端或基站)模块

无线通信模块由SX1278、RF_SWITCH、TCXO 3部分组成，RF_SWITCH为SX1278半双工通信切换输入或输出状态，SX1278精确时钟由TCXO提供。SX1278的RESERT引脚被MCU给予低电平，进入初始化复位。MCU利用自带的SPI(NSS/SCK/MISO/MOSI)与SX1278的SPI接口对接实现双向通信，在SX1278睡眠模式下，MCU通过设置SX1278配置寄存器RegOpMode，使其工作处在LoRa 调制模式。MCU对SX1278的配置寄存器、状态寄存器和FIFO缓存进行读写操作，完成所有的控制与管理。SX1278通过DIO0～DIO5引脚给MCU发送中断信号，MCU读取SX1278状态寄存器值，结合SX1278的状态信号完成数据的无线收发。

RS232串行通信常用于设备调试和点对点通信。STM32F103ZET处理器本身具有UART通信接口，其串口输出电压为0.0 V和3.3 V，而标准的RS232高电平为3～15 V,导致电平不匹配，因此需要利用MAX232芯片进行电平转换。电源模块为通信设备提供电能服务，采用高能锂电池和市政供电 2种方式，通过高效率开关稳压器MP2359和AMS1117为各类模块供电[7]。

3 关键技术设计

煤矿井下环境对无线通信应用产生很大影响。矿井巷道环境十分复杂，无线电波由于受到巷道壁和机械设备的影响，传输功率衰减严重，各类障碍物对无线电波产生的反射、散射，造成在巷道内的无线电波产生复杂的多径传播，巷道内人员及设备的移动，导致多普勒频移，煤矿井下特殊的环境对LPWA技术的应用具有更高的要求[8]。

SX1278射频处理器主要实现无线信号发射与接收的PHY层功能，但要真正实现组网通信还需上层协议的支撑和服务。LoRa联盟组织制订了LoRaWAN规范，LoRaWAN是针对MAC层以上的低功耗广域网标准，该标准具有很多优势，但监控通信平台相对简单，主要解决点对多点的低速率、远程、小数据量的组网通信，因此采用个性化的私有协议来满足系统应用需求。

3.1 低功耗设计

基站采用市政电源供电，监控终端一般采用电池供电，因此需对监控终端进行低功耗设计。STM32F103ZET是一款内核为Comtex-M3架构的ARM处理器，支持等待、睡眠和停止3种低功耗工作模式，是较理想的低功耗MCU。SX1278采用了扩频调制解调技术、前向纠错编码技术、跳频通信技术和数字信息处理技术，支持睡眠、等待、CAD检测等低功耗模式，可实现在低功耗前提下的远程通信[9]。

通常情况下，MCU和SX1278处在等待和睡眠工作模式，MCU按设定的采样周期定时采集传感器信息，经适当处理，信息立即被写入SX1278的FIFO缓存器，当检测到信道空时发送数据，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，依据读取SX1278状态寄存器数据转入中断服务，然后进入低功耗模式，这样就实现了MCU在大部分情况下处于低功耗工作模式[10]。在发送与接收状态下，SX1278会消耗大量电能，由于采用了CAD信道检测和ADR速率自适应技术，使得SX1278的能耗得以降低。ADR速率自适应具有依据通信距离自动调整通信传输速率的功能，在近距离通信时自动提高传输速率，从而缩短传输时间，同时可降低功耗，而远距离传输时，通过降低传输速率同样可以实现低功耗。MCU对传感器供电进行通断控制，只在定时采集时供电，减少传感器的能耗[11]。

3.2 通信信道竟用

矿山生产作业环境的无线信号一般都比较复杂，SX1278工作在非授权频段，监控终端同时工作，各类大功率机电设备会产生强干扰信号，无线信号碰撞与冲突是客观存在的。为了保证监控通信平台无线通信的正常有效工作，需要解决无线信道检测和碰撞问题[12]。

发送数据前，SX1278不进行任何信道状态检测，直接发送数据，显然存在安全隐患。SX1278可以通过无线信号CAD(信道检测)、SNA(信噪比)值和RSSI(信号强度)3种手段，对无线信号进行识别;CAD信道检测的核心是检查LoRa前导码，检测不到前导码并不能表明没有信号，因此，这种信道检测方式存在盲区。SX1278工作在433 MHz，处在非授权频段，往往存在同频干扰，在接收机频段内测得无线接收信号的强度RSSI值，同样也无法准确识别信道是否为空。通过研究和反复试验验证，利用信噪比(SNR)检测信道，是较好的信道检测办法。SX1278具有低信噪比的信号检测能力，其RegPktSnrValu寄存器储存着接收信号的信噪比值，MCU通过SPI接口设置地址为0X19，可获得RegPktSnrValu寄存器中的信噪比值，如果此值在-20～-5 dB，则确认信道忙，否则信道闲[12-13]。

SX1278检测到信道忙时，需要解决碰撞问题。时间随机退后检测是一种简单而有效的避碰办法，首先确定退避时间窗口CW(如500 ms)的值，用随机函数rand()产生0～1之间的随机数N，则退后时间t=CW*N；rand()是一个伪随机函数，因此用函数srand((unsigned)time(NULL))产生随机数种子，再用函数rand()生成随机数，这样rand()的随机数就能错位，从而确保了有效的碰撞避让。时间窗口CW可以依据冲突发生状况进行动态调整，这样可以有效提高碰撞避让效率。

3.3 通信协议设计

监控通信平台要完成有效数据通信，必须依据通信协议才能实现，通信协议保证了通信双方建立起的有效通信规程[14-15]。SX1278射频芯片具有规定格式的通信数据包，但没有实现上层通信协议，因此需要重新设计通信协议，才能保障通信的有效实现。为了简化协议、提高通信效率，可以定义5种类型帧结构：RTS、CTS、DATA、ACK和广播，通常情况下只需要后3类帧就能保障较好的通信效果，DATA和ACK帧结构分别见表1和表2。由于SX1278通信速率较低，传输时间相对较长，因此规定有效负载最大为64 Byte。

表1 DATA帧结构

表2 ACK帧结构

帧类型字节的高四位为0，低四位代表数据帧的类型，当帧类型字节为0 Fh时，DATA帧就转变成广播帧，此时目的地址为0 FFFFh。SX1278在发送数据时，其本身不能保证所发数据能被有效接收，因此需要采用确认帧来确认数据是否接收，接收到DATA帧数据需要及时回复ACK帧，广播帧不需回复ACK帧，通信设备发送数据后，在给定时间内接收到确认帧就继续其他工作，否则就要进行数据重发。为了有效提高信道效率，SX1278一旦接收到数据帧，则不进行信道检测，立即回复ACK帧[9]。

3.4 通信设备工作流程

监控通信平台在基站与终端之间收发数据，基站重在接收数据，而终端重在发送数据，基站与终端组成一对多的星形通信网络，主要功能是通过SX1278发送与接收数据[13]。

监控终端的主要任务是把采集到的感知数据实时发送给基站，矿山监控的感知信息一般具有采样频率不高、数据量不大和对时延不敏感的特点，因此终端采用MCU定时采集感知信息和唤醒SX1278发送数据的工作方式。终端数据采集完成后，MCU唤醒SX1278进入待机模式，数据被写入SX1278FIFO缓存器，然后进入基于SNA信噪比的信道检测，当发现信道空闲时，控制SX1278进入发送数据状态，完成数据发送，SX1278转入其他状态。终端要接收基站发送的数据如控制信息，SX1278定时唤醒进入CAD信道检测，在规定时间里没有检测到前导码(或前导码关联不成功)就转入其他模式，一旦检测到前导码并关联成功就接收数据，依据接收的数据进入相应工作状态(如控制执行单元等)。终端工作流程如图3所示。

图3 终端工作流程

基站的主要任务是通过RSS232接口与上位机通信，实时把由终端发送的感知信息转发给上位机并将接收上位机下发的相关控制信息发送给终端。基站工作的主线是接收终端发送的信息，基站MCU处在主动工作状态，以最高优先级保证SX1278处于数据接收状态，定时启动CAD信道检测前导码，及时接收终端发送信息，数据发送和接收的基本方法与终端类似。基站工作流程如图4所示。

图4 基站工作流程

4 测试与分析

为了测试通信平台的通信效果，采用2台监控终端和1台基站组成1个简易星形网络，基站设置在一固定点，2台终端安置在活动的工具上，3台笔记本电脑用USB转串口线连接3台设备的RS232串口，利用串口调试助手模拟传感器数据的采集和发送，在基站用串口助手接收数据并显示。通信参数：无线发射功率19 dBm、工作频率433 MHz，带宽 125 kHz、编码率4/6、扩频因子9。以100为单位分组发送数据包，通信测试数据如表3所示。

表3 通信测试数据

实测结果表明，测试距离超过1 km后，数据包接收开始出现丢包现象，当接近2.3 km后丢包率已高达35%，但由于在应用层采取了通信确认机制，从而确保了数据的有效传输。综上所述，在发射功率为19 dBm情况下能保证至少2.0 km的有效通信，通信平台具备远程、低速率、低功耗的通信能力[3，9]。

5 结语

采用最新物联网远程通信能力的SX1278射频芯片，设计了矿用低速远程监控通信平台。该通信平台具有低功耗、远距离、低成本、低速率、抗干抗性好和穿透性强的优势。通信平台的设计架构具有较好的扩展性和兼容性，特别适用于矿山远程、低速的数据组网传输。采用私有通信协议设计，降低了研发成本和使用成本，由于无线通信物理层以SX1278为核心，因此，具备向LoRaWAN网络升级的基础，有较好的技术开发空间。