LoRa组网技术在胶带运输监控系统中的应用研究
发布时间：2021-07-28 21:11
针对胶带运输监控系统缺少无线数据传输通道,无法实现断线后自诊断信息上传、无线传感器接入、断线应急中继通信功能等问题,提出了一种应用于胶带运输监控系统的LoRa无线组网技术方案.针对链式组网结构比较适合胶带运输监控系统多点延伸的特点,采用了LoRa链式组网模式.根据LoRa链式组网传输模式的要求,确定了节点间的数据访问关系,将主机节点与子节点设计为一主多从的传输方式,节点根据相邻关系进行路由规划,组成单层链式网络.为满足数据传输需求,采用巡检应答式通信机制,通信过程遵循规则时序,信道通过时分进行有序利用.根据上述方案,给出了用于胶带运输监控系统的LoRa无线组网传输节点设备软硬件设计,并进行了测试,结果表明:LoRa链式组网模式传输性能可靠稳定,无线发送状态的节点功耗小于300 m W,10个节点组网传输时延为1.12 s,丢包率小于0.6%,可满足胶带运输监控系统对无线组网传输功能的需求.
【文章来源】：工矿自动化. 2020,46(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
LoＲa链式组网的传输方法
2个语音闭锁装置中间设有急停闭锁装置．将系统中设备的线性分布结构映射到无线网络的拓扑结构，控制主机上设计主机节点作为无线网络的中心网关，系统沿线的语音闭锁装置中设计组网传输的子节点，节点最远间隔为200m，按照胶带运输监控系统单组长度2km设计，子节点数量为10个．网络节点的拓扑结构如图1所示．图1网络节点的拓扑结构Fig．1Topologyofnetworknodes2．2组网传输的设计要求(1)单组胶带运输监控系统的延伸距离可达2km，节点设备多，空间分布结构呈线性特征，主干设备节点间距统一，节点设备一致性高、分布均匀，组网方式和传输模式需要适应节点分布特征．(2)组网传输主要用于系统节点自诊断数据和接入的无线传感器数据的传输，急停、闭锁等时效性要求高、涉及保护功能的信息通过有线方式传输．(3)为保证采用电池供电的无线传感器的工作时长，需要尽可能降低传感器功耗，要求组网传输技术具备低功耗特性．(4)应急中继通信状态下，对中继节点的无线通信数据速率、传输时延都有更高的要求．断点两侧的无线中继节点可切换到高速率传输，以满足应急通信需求．(5)应用环境中存在电磁干扰和多径干扰等影响因素，需要考虑无线技术的抗干扰能力设计．无线组网传输指标的具体要求见表2．表2无线组网传输指标要求Table2Ｒequirementsfortransmissionindicatorsofwirelessnetworking无线传输指标性能要求传输速率组网传输速率为1～10kbit/s应急中继通信速率为10～30kbit/s组网方式链式跳接为主的组网方式组网传输距离组网覆盖范围可达2km以上组网传输延时不大于3s组网节点数据量2～10byte组网节点容量单个网络组不少于10个节点功耗低功耗，兼容电池供电模式稳定性抗干扰能力强，适合矿井?
终端节点发起应答流程，应答帧经子节点顺序跳接回传到主机节点．为保证更高的传输效率，数据传输采用可变长度的数据帧格式［14］，每个中继节点在转发报文时，根据协议在帧数据区域加载本节点信息，同时更新帧头部分的数据区字节长度信息．LoＲa链式组网的应答帧格式如图3所示．图3LoＲa链式组网的应答帧格式Fig．3AcknowledgementframeformatofLoＲachainnetworkingLoＲa节点会按照自身所处网络拓扑位置进行异常判断，下级节点发送的续传数据也是对本节点的应答，本节点应答数据接收超时后，触发数据重传，多次重传失败后，将下一节点判定为掉线，并尝试连接更下一级的节点，进行网络修复．网络修复失败后，当前LoＲa节点转换为终端节点．主机LoＲa节点接收到异常信息后启动检查流程，尝试对网络进行诊断和重构．主机上报异常信息，同时维持当前可用节点的正常连接［15-16］．主机节点对网络内节点的管理功能是通过发送控制命令来实现的．控制命令发送流程与巡检命令的流程相似，子节点接收到控制命令后，先将控制命令转发出去，接收到下一节点的转发数据后再更改本节点的网络参数．节点发送控制命令时，均采取连续2次发送的方法，以提高传输可靠性．若某一节点出现网络参数调整失败，尝试重复多次发送，一旦触发延时保护机制，各网络节点将自发回退到原来的网络配置．2．5LoＲa参数研究LoＲa技术主要工作在Sub-GHz频域范围，可选择常规的433、915MHz的ISM频段．考虑到煤矿井下环境的特殊性，对频段选择进行了对比研究．通过Matlab构建了一个宽为4．5m、高为3m的典型胶带运输巷传输信道模型，仿真433MHz和915MHz频段水平和垂直方向极化波空间传导的?
【参考文献】：
期刊论文
[1]提升LoRa网络性能的终端参数动态选择方法研究[J]. 蔡青松,林佳. 计算机工程与应用. 2020(03)
[2]LoRa调制及其在衰落信道下的性能分析[J]. 赵旭,李洪强,张玉冰,袁旭,唐晓柯. 中国电子科学研究院学报. 2019(06)
[3]用于煤矿设备信息化升级的无线数据传输节点[J]. 万雪芬,崔剑,杨义,SARDAR Muhammad Sohail. 工矿自动化. 2019(06)
[4]煤矿井下远程监控终端设计[J]. 张新. 工矿自动化. 2018(12)
[5]煤矿主运输煤流线信息支撑系统设计[J]. 蒋伟,吴高镇. 工矿自动化. 2018(10)
[6]LoRa技术在矿井无线通信中的应用分析[J]. 霍振龙. 工矿自动化. 2017(10)
[7]带式输送机滚筒温度检测装置设计[J]. 张丽. 工矿自动化. 2017(07)
[8]LoRa无线网络技术分析[J]. 赵静,苏光添. 移动通信. 2016(21)
[9]低功耗广域LoRa技术分析与应用建议[J]. 刘琛,邵震,夏莹莹. 电信技术. 2016(05)
[10]井下带式输送机煤流控制系统现状及发展趋势[J]. 王金华. 工矿自动化. 2015(03)
博士论文
[1]矿井煤流输送系统优化控制关键技术研究[D]. 王中华.中国矿业大学 2014
硕士论文
[1]低功耗广覆盖LoRa系统的研究与应用[D]. 赵文举.北京邮电大学 2019
[2]胶带运输系统的物联网监测技术应用研究[D]. 魏传臻.华北科技学院 2019
[3]矿用带式输送机安全监测系统研究[D]. 王亭亭.中国矿业大学 2016
本文编号：3308653
【文章来源】：工矿自动化. 2020,46(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
LoＲa链式组网的传输方法
2个语音闭锁装置中间设有急停闭锁装置．将系统中设备的线性分布结构映射到无线网络的拓扑结构，控制主机上设计主机节点作为无线网络的中心网关，系统沿线的语音闭锁装置中设计组网传输的子节点，节点最远间隔为200m，按照胶带运输监控系统单组长度2km设计，子节点数量为10个．网络节点的拓扑结构如图1所示．图1网络节点的拓扑结构Fig．1Topologyofnetworknodes2．2组网传输的设计要求(1)单组胶带运输监控系统的延伸距离可达2km，节点设备多，空间分布结构呈线性特征，主干设备节点间距统一，节点设备一致性高、分布均匀，组网方式和传输模式需要适应节点分布特征．(2)组网传输主要用于系统节点自诊断数据和接入的无线传感器数据的传输，急停、闭锁等时效性要求高、涉及保护功能的信息通过有线方式传输．(3)为保证采用电池供电的无线传感器的工作时长，需要尽可能降低传感器功耗，要求组网传输技术具备低功耗特性．(4)应急中继通信状态下，对中继节点的无线通信数据速率、传输时延都有更高的要求．断点两侧的无线中继节点可切换到高速率传输，以满足应急通信需求．(5)应用环境中存在电磁干扰和多径干扰等影响因素，需要考虑无线技术的抗干扰能力设计．无线组网传输指标的具体要求见表2．表2无线组网传输指标要求Table2Ｒequirementsfortransmissionindicatorsofwirelessnetworking无线传输指标性能要求传输速率组网传输速率为1～10kbit/s应急中继通信速率为10～30kbit/s组网方式链式跳接为主的组网方式组网传输距离组网覆盖范围可达2km以上组网传输延时不大于3s组网节点数据量2～10byte组网节点容量单个网络组不少于10个节点功耗低功耗，兼容电池供电模式稳定性抗干扰能力强，适合矿井?
终端节点发起应答流程，应答帧经子节点顺序跳接回传到主机节点．为保证更高的传输效率，数据传输采用可变长度的数据帧格式［14］，每个中继节点在转发报文时，根据协议在帧数据区域加载本节点信息，同时更新帧头部分的数据区字节长度信息．LoＲa链式组网的应答帧格式如图3所示．图3LoＲa链式组网的应答帧格式Fig．3AcknowledgementframeformatofLoＲachainnetworkingLoＲa节点会按照自身所处网络拓扑位置进行异常判断，下级节点发送的续传数据也是对本节点的应答，本节点应答数据接收超时后，触发数据重传，多次重传失败后，将下一节点判定为掉线，并尝试连接更下一级的节点，进行网络修复．网络修复失败后，当前LoＲa节点转换为终端节点．主机LoＲa节点接收到异常信息后启动检查流程，尝试对网络进行诊断和重构．主机上报异常信息，同时维持当前可用节点的正常连接［15-16］．主机节点对网络内节点的管理功能是通过发送控制命令来实现的．控制命令发送流程与巡检命令的流程相似，子节点接收到控制命令后，先将控制命令转发出去，接收到下一节点的转发数据后再更改本节点的网络参数．节点发送控制命令时，均采取连续2次发送的方法，以提高传输可靠性．若某一节点出现网络参数调整失败，尝试重复多次发送，一旦触发延时保护机制，各网络节点将自发回退到原来的网络配置．2．5LoＲa参数研究LoＲa技术主要工作在Sub-GHz频域范围，可选择常规的433、915MHz的ISM频段．考虑到煤矿井下环境的特殊性，对频段选择进行了对比研究．通过Matlab构建了一个宽为4．5m、高为3m的典型胶带运输巷传输信道模型，仿真433MHz和915MHz频段水平和垂直方向极化波空间传导的?
【参考文献】：
期刊论文
[1]提升LoRa网络性能的终端参数动态选择方法研究[J]. 蔡青松,林佳. 计算机工程与应用. 2020(03)
[2]LoRa调制及其在衰落信道下的性能分析[J]. 赵旭,李洪强,张玉冰,袁旭,唐晓柯. 中国电子科学研究院学报. 2019(06)
[3]用于煤矿设备信息化升级的无线数据传输节点[J]. 万雪芬,崔剑,杨义,SARDAR Muhammad Sohail. 工矿自动化. 2019(06)
[4]煤矿井下远程监控终端设计[J]. 张新. 工矿自动化. 2018(12)
[5]煤矿主运输煤流线信息支撑系统设计[J]. 蒋伟,吴高镇. 工矿自动化. 2018(10)
[6]LoRa技术在矿井无线通信中的应用分析[J]. 霍振龙. 工矿自动化. 2017(10)
[7]带式输送机滚筒温度检测装置设计[J]. 张丽. 工矿自动化. 2017(07)
[8]LoRa无线网络技术分析[J]. 赵静,苏光添. 移动通信. 2016(21)
[9]低功耗广域LoRa技术分析与应用建议[J]. 刘琛,邵震,夏莹莹. 电信技术. 2016(05)
[10]井下带式输送机煤流控制系统现状及发展趋势[J]. 王金华. 工矿自动化. 2015(03)
博士论文
[1]矿井煤流输送系统优化控制关键技术研究[D]. 王中华.中国矿业大学 2014
硕士论文
[1]低功耗广覆盖LoRa系统的研究与应用[D]. 赵文举.北京邮电大学 2019
[2]胶带运输系统的物联网监测技术应用研究[D]. 魏传臻.华北科技学院 2019
[3]矿用带式输送机安全监测系统研究[D]. 王亭亭.中国矿业大学 2016
本文编号：3308653
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